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Abgasreinigungsvorrichtung für Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsvorrichtung für
Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen und betrifft insbesondere eine Abgasreinigungsvorrichtung
derjenigen Art, bei der jeweils einen Dreifach-Katalysator aufweisende Abgasreaktoren
bzw. Abgasumsetzer sowie ein Zuluftsystem zur Zuführung von Sekundärluft bzw. Zusatzluft
vorgesehen sind.
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Im allgemeinen weist ein sqg. Dreifach-Katalysator bei dem die gleiche
Katalysatorschicht als Material zur Oxidation von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen
(HC) sowie zur Reduktion von Stickoxiden (NOx) in den Abgasen zur Beseitung dieser
schädlichen Bestandteile Verwendung findet, unter gewöhnlichen Betriebsbedingungen
eine Reinigungsleistung bzw. einen Reinigungswirkungsgrad auf, wie dies in Fig.
1 der Zeichnung in AbhAngigkeit von dem Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase dargestellt
ist. Um einen Betrieb des Dreifach-Katalysators innerhalb des Bereiches der hbchsten
Reinigungsprozentsätze zu erzielen, muß dementsprechend das Luft/Brennstoff-Verhältnis
der Abgase innerhalb des in Fig. 1 gestrichelt
dargestellten Bereiches
gehalten werden. Bei üblichen Brennkraftmaschinen ist es jedoch äußerst schwierig,
das Luft/ Brennstoff-Verhältnis der Abgase über den gesamten Betriebsbereich bzw.
bei sämtlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine in einem derart begrenzten
Bereich zu halten. Ein Verfahren zur Vergrößerung des Bereiches der Luft/Brennstoff-Verhältniswerte,
bei denen ein Dreifach-Katalysator mit Sauerstoffspeichereigenschaft wirksam ist,
ist aus der US-PS 4 024 706 bekannt. Weiterhin ist ein System vorgeschlagen worden,
bei dem ein Luft/Brennstoffverhältnis-Detektor den in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen
einer Brennkraftmaschine veränderlichen Sauerstoffgehalt der Abgase feststellt,
um in Form einer Rückkopplungssteuerung bzw. Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
der Abgase dieses-auf dem optimalen Verhältniswert zu halten, jedoch weist dieses
System ebenfalls den Nachteil eines sehr komplizierten und aufwendigen Aufbaus auf.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, zur Vermeidung der vorstehend
genannten Nachteile des Standes der Technik eine Abgasreinigungsvorrichtung zu schaffen,
die eine hohe Reinigungsleistung bzw. einen hohen Reinigungswirkungsgrad ihrer Dreifach-Katalysatoren
innerhalb eines relativ weiten Bereiches von Luft/Brennstoff-Verhältniswerten ermöglicht
und dadurch mit einfachem Aufbau eine bestimmte bzw. vorgeschriebene Reinigung von
Abgasen gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß zunächst dadurch gelöst, daß das
Luft/Brennstoff-Verhältnis von in die Dreifach-Katalysatoren hineinfließenden Abgasen
im wesentlichen periodisch geändert wird, wie dies in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt
ist. Ein erstes Merkmal der Erfindung besteht somit darin, daß Sekundärluft bzw.
Zusatzluft einem Abgaskanal oder einer Abgasleitung stromaufwärts bzw. oberhalb
eines jeden Dreifach-Katalysators zugeführt wird und die Druckänderungen der Abgase
in der Abgasleitung zum periodischen Einschalten und Ausschalten der Zufuhr an Sekundärluft
oder zur periodischen Änderung der zugeführte»«S»tupQäSlEftBenge ausgenutzt werden.
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Wenn bei einer derartigen periodischen Änderung des Luft/Brenn-stoff-Verhältnisses
der Abgase die in den Dreifach-Katalysator strömenden Abgase ein großes Luft/Brennstoff-Verhältnis
aufweisen und eine oxidierende Atmosphäre bilden, wird Sauerstoff in den Katalysator
im mikroskopischen Sinne adsorbiert, so daß sich auf der Oberfläche des Katalysators
eine reduzierende Atmosphäre bildet und die Reinigungsleistung bzw der Reinigungswirkungsgrad
in Bezug auf No verbessert x wird. Es fließen dann eine reduzierende Atmosphäre
bildende Abgase mit einem geringen Luft/Brennstoff-Verhältnis in den Katalysator,
so daß zwischen dem adsorbierten Sauerstoff und CO sowIe- HC eine Oxidationsreaktion
stattfindet und die Reinigungswirkung in Bezug auf CO und HC verbessert wird.
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Wie festgestellt werden konnte und in Fig 3 dargestellt ist, tritt
eine gewisse Verringerung des Reinigungsprozentsatzes in Relation zu dem mittleren
Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase am Schnittpunkt der Kurven für die drei Bestandteile
CO, HC und NO (dem stoechiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis x von # = I) auf,
während sich gleichzeitig der Reinigungsprozentsatz auf der im Vergleich zu dem
stoechiometrischen Luft/Brennstoff-VarhäItniswert größeren (magereren) und kleineren
(fetteren) Seite verbessern läßt, wodurch der hohe Reinigungsprozentsätze gewährleistende
Bereich des Luft/Brennstoff-Verhältnisses vergrößert wird Wenn dagegen das Luft/Brennstoff-Verhältnis
der Abgase geändert wi-rd, indem die Abgase der Brennkraftmaschine in Pulsierungen
versetzt werden, und die Abgase von sämtlichen Zylindern der Brennkraftmaschine
in eine einzige Auslaßleitung eingeleitet und dem Dreifach-Katalysator zugeführt
werden, wird die Änderunqsfrequenz des Luft/B-rennstoff-Verhältnisses der Abgase
inbesondere im hohen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine übermäßig hoch, so daß
sich die Änderung beim Einströmen der Abgase in den Dreifach-Katalysator im wesentlichen
ausgleicht. Ein zweites Merkmal der Erfindung besteht somit darin, daß das Auftreten
einer solchen Situation verhindert wird, indemdie Aüslaß-leitung in zumindest zwei,
mit verschiedenen Zylindern der Brennkraftmaschine verbundene ZweigkanSle bzw. Zweigleitungen
unterteilt
wird, die Zuführung der Sekundärluft bzw. Zusatzluft in jede der Zweigleitungen
getrennt erfolgt und ein Dreifach-Katalysator stromabwärts bzw unterhalb einer jeden
Zweigleitung angeordnet wird Diese Anordnung hat die Wirkung, daß die Abgase mit
einem sich optimal ändernden Luft/Brennstoff-Verhältnis in jeden Dreifach-Katalysator
eingeleitet werden können und somit jeder der flreifach-Katalysatoren innerhalb
eines breiten Bereiches von Luft/Brennstoff-Verhältniswerten mit einem hohen Reinigungsprozentsatz
arbeiten kann.
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Außerdem kann durch Verringerung der Änderungsfrequenz des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
der hohe Reinigungsprozentsätze gewährleistende Bereich (Grenzwerte) von Luft/Brennstoff-Verhältniswerten
gemäß Fig 4 der Zeichnung weiter vergrößert werden, wodurch die gewünschte Reinigung
von Abgasen mit einem einfachen Aufbau erzielbar bzw. gewährleistet ist.
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Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden nachstehend näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Kennliniendiagramm, das die Reinigungsprozentsätze
eines -Dreif ach-Katalysators bei üblichen Betriebsbedingungen veranschaulicht,
Fig. 2 ein Schaubild, das die Änderungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses von Abgasen
zeigt, Fig 3 ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen dem Reinigungsprozentsatz
eines Dreifach-Katalysators und der Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses von
Abgasen veranschaulicht, Fig. 4 ein Schaubild, das die Beziehung zwischen
der
nderungsfrequenz des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der Abgase und der Reinigungsleistung
bzw. Reinigungswirkung des Dreifach-Katalysators veranschaulicht, Fig. 5 eine schematische
Darstellung einer Ausfhrungsform der Erfindung, Fig. 6 ein Schaubild zur Erläuterung
des Wirkungsprinzips der Vorrichtung gemäß Fig. 5,und Fig. 7 ein Schaubild zur Erläuterung
des Wirkungsprinzips einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Es sei zunächst auf Fig. 5 eingegangen, die eine Ausführungsform
der Erfindung in Verbindung mit einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine veranschaulicht,
wobei die Bezugszahl 1 die Brennkraftmaschine, die Bezugszahl 2 einen Luftfilter,
die Bezugszahl 3 einen Vergaser, die Bezugszahl 4 eine Ansaugleitung und die Bezugszahl
5 eine Auslaßleitung bezeichnen.
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Wie allgemein bekannt ist, stellt der Vergaser 3 die zugeführte Brennstoffmenge
ein, so daß eine über den Luftfilter 2 und ein Drosselventil bzw. eine Drosselklappe
6 angesaugte, gesteuerte Luftmenge mit der richtigen Brennstoffmenge gemischt und
das sich ergebende Luft/Brennstoffgemisch der Brennkraftmaschine 1 über die Ansaugleitung
4 zugeführt wird. Bei dieser Ausführungsform ist der Vergaser 3 zur Bildung eines
Gemisches eingestellt, das in Bezug auf das stoechismetrische Luft/Brennstoff-Verhältnis
ein wenig fetter ist. Die Brennkraftmaschine 1 ist derart ausgelegt, daß das fette
Gemisch in den jeweiligen Zylindern in der vorgegebenen Zündreihenfolge Verbrannt
wird, so daß nach Abschluß der Verbrennung das verbrannte Gemisch in Form von Abgasen
in die Auslaßleitung 5 ausgestoßen wird, die wiederum die Abgase in die Atmosphäre
ableitet. Die Zündfolge der Brennkraftmaschine weist folgende Reihenfolge auf: erster
Zylinder I,
dritter Zylinder tII, vierter Zylinder IV und zweiter
Zylinder II.
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Die einen Abgaskanal bildende Auslaßleitung 5 ist in zwei Zweigleitungen
5a und 5b unterteilt, von denen die Zweigleitung 5a mit dem ersten Zylinder I und
dem dritten Zylinder III verbunden ist, die nacheinander gezündet werden, während
die andere Zweigleitung 5b mit dem verbleibenden zweiten Zylinder II und dem vierten
Zylinder IV verbunden ist, die ebenfalls nacheinander gezündet werden. In den Zweigleitungen
Sa und 5b ist jweils ein Abgasumsetzer bzw. Abgasreaktor lOa bzw. lob mit einem
ein sauerstoffspeicherndes Material aufweisenden Dreifach-Katalysator angeordnet,
wobei jeweils oberhalb des Abgasumsetzers lOa bzw. lOb eine Sekundärluft-Zuleitung
23a bzw. 23b in die jeweilige Zweigleitung 5a bzw. 5b mündet.
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Stromabwärts bzw. unterhalb der Abgasumsetzer lOa und lob sind die
Abgaszweigleitungen an einem Punkt zusammengeführt.
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Wie bekannt ist, erleichtert der den jeweiligen Abgasumsetzer bildende
Dreifach-Katalysator die Oxidation und Reduktion von CO, HC und NOx in den in den
Umsetzer strömenden Abgasen und führt eine Reinigung dieser schädlichen Bestandteile
mit den in Fig. 1 dargestellten Reinigungsprozentsätzen durch.
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Indem Sekundärluft bzw. Zusatzluft impulsartig in das vor den Dreifach-Katalysatoren
gelegene Auslaßsystem eingeleitet wird, so daß sich das Luft/Brennstoff-Verhältn}s
der in die Dreifach-Katalysatoren strömenden Abgase wie ein Impulssignal ändert,
läßt sich gemäß den im Rahmen der Erfindung durchgeführten Experimenten die in Fig.
3 dargestellte Reinigungsleistung bzw. Reinigungswirkung erhalten, bei der eine
Vergrößerung des Bereiches der hohe fleinigungsprozentsätze gewährleistenden Luft/Brennstoff-VerhAltsniswerte
erzielt ist. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, läßt sich in diesem Falle auch dieser
Bereich von Luft/Brennstoff-Verhaltniswerten mit der Folge einer Steigerung der
Reinigungsleistung bzw. Reinigungswirkung vergrößern, wenn die Änderungsfrequenz
des Luft/Brennstoff-Verhältnisses verringert wird.
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Mit den Sekundärluft-Zuleitungen 23a und 23b ist ein Luftansaugventil
20 verbunden, das unabhängig voneinander betätigbare Reed-Ventilelemente 21a und
21b aufweist, wodurch die Zusatzluft in Abhängigkeit von dem Pulsieren der Abgas-e
in den Zweigleitungen 5a und 5b über die Zuleitungen 23a und 23b unabhängig voneinander
impulsartig zugeführt wird.
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Wenn bei dieser Anordnung das Gemisch sukzessiv in den Zylindern
der Brennkraftmaschine 1 verbrannt und die sich ergebenden Abgase in die Auslaßleitung
5 ausgestoßen sind,werden die Abgase in der Auslaßleitung 5 entsprechend in Pulsierungen
versetzt. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Unterteilung der Auslaßleitung 5
in die Zweigleitungen 5a und 5b pulsieren die in die Zweigleitungen 5a und 5b strömenden
Abgase in der schematisch in der Fig. 6 dargestellten Weise.
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Durch den Unterdruck aufgrund des Pulsierens der Abgase wird die Sekundärluft
über das Luftansaugventil 20 und die zugehörigen Sekundärluft-Zuleitungen 23a und
23b in die Zweigleitungen 5a und 5b eingeleitet. Wenn die Zylinder einer Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine
in ihrer Gesamtheit gesehen bzw.
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im Ganzen betrachtet werden, betragen die sich bei Drehzahlen der
Brennkraftmaschine von 600 U/min und 1800 U/min ergebenden Pulsierungsfrequenzen
der Abgase 20 Hz bzw. 60 Hz. Werden jedoch die beiden aufeinanderfolgenden Impulsspitzen
gemäß Fig. 6 als einzige Pulsierung betrachtet, so beträgt die sich ergebende Frequenz
der Pulsierungen in den Zweigleitungen 5a und 5b jeweils 5 Hz bzw. 15 Hz, so daß
die Zuführungsfrequenz der in Abhängigkeit von den Pulsierungsfrequenzen periodisch
zugeführten Sekundärluft ebenfalls die Werte 5 Hz bzw. 15 Hz annimmt. Da die zugeführte
Sekundärluft die Abgase verdünnt, wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis der in die
Dreifach-Katalysatoren lOa und lOb strömenden Abgase wiederholt periodisch mit einer
geringen Änderungsfrequenz in der in Fig. 2 dargestellten Weise geändert, wodurch
eine zufriedenstellende Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses auch im hohen
Drehzahlbereich
der Brennkraftmaschine gewährleistet ist.
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Durch eine solche periodische Änderung des Luft/Lrennstoff-Verhältnisses
der Abgase tritt eine Sauerstoff-Adsorption in dem Katalysator auf, wenn die Abgase
ein großes Luft/Brennstoff-Verhältnis aufweisen und unter Bildung einer oxidierenden
Atmosphäre in die Dreifach-Katalysatoren loaund lOb fließen, wodurch die Reinigungsleistung
bzw. -wirkung in Bezug auf NO x gesteigert wird. Wenn die Abgase mit einem kleinen
LuEt/Brennstoff-Verhältnis und unter Bildung einer reduzierenden Atmosphäre sodann
in jeden Dreifach-Katalysator fließen, wird eine Oxidationsreaktion zwischen dem
adsorbierten Sauerstoff und HC sowie CO bewirkt, wodurch die Reinigungsleistung
bzw.
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-wirkung in Bezug auf CO und HC gesteigert wird. Wie bereits erwähnt,
können als Ergebnis die in Fig. 3 dargestellten Reinigungsprozentsätze erhalten
werden, bei denen der Bereich von Luft/Brennstoff-Verhältniswerten, in welchem hohe
Reinigungsprozentsätze gewährleistet sind, im Vergleich zu dem (gestrichelt dargestellten)
, unter üblicherweise gegebenen gewöhnlichen Betriebsbedingungen erhaltenen Bereich
vergrößert ist. Wie ebenfalls bereits vorstehend erwähnt, vergrößert sich darüberhinaus
der hohe Reinigungsprozentsätze gewährleistende Bereich von Luft/Brennstoff-Verhältnissen
mit einer Verringerung der Änderungsfrequenz des Luft/Brennstoff-Verhältnisses,
wie dies in Fig. 4 veranschaulicht ist. Bei der Aufnahme der Kennlinie gemäß Fig.
4 wurde das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase zwischen den Werten 13,5 : 1 und
15,5 : 1 geändert, während der Bereich von Luft/Brennstoff-Verhältniswerten, in
dem Reinigungsprozentsätze von mehr als 60% in Bezug auf sämtliche Anteile von CO,
HC und NO gewährleistet sind, bei einer x Maschinendrehzahl von 2000 U/min gemessen
wurde.
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Bei der vorstehend beschriebenen Abgasreinigungsvorrichtung muß somit
das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase nicht genau konstant gehalten werden und
die angestrebte Reinigung der Abgase läßt sich mit einfachen Mitteln bzw. einem
einfachen Aufbau erreichen und gewährleisten. Hierbei ist es zweckmäßig, die Dreifach-Katalysatoren
lOa und lOb sowie
die Sekundärluft-Zuleitungen 23a und 22b so nahe
bei der Brennkraftmaschine 1 anzuordnen wie möglich, da hierdurch die vorstehend
beschriebene Wirkung verbessert wird.
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Anstelle der bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erfolgenden
Zusammenfassung von jeweils zwei kontinuierlich gezündeten Zylindern zu einer Gruppe,
wenn die Auslaßleitung gemäß der Erfindung in zwei Zweigleitungen unterteilt wird,
ist es auch möglich, im- Falle einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine den ersten
und vierten Zylinder die abwechselnd gezündet werden, zu einer Gruppe und den verbleibenden
zweiten und dritten Zylinder, die ebenfalls abwechselnd gezündet werden, zu einer
weiteren Gruppe zusammenzufassen.In diesem Falle nimmt das Pulsieren der Abgase
in jeder der Zweigleitungen die in Fig. 7 dargestellte Form an, so daß, obwohl die
resultierende Pulsierungsfrequenz den zweifachen Wert der bei der Ausführungsform
gemäß Fig. 5 mit einer leichten Verringerung der sich ergebenden Wirkung erhaltenen
Frequenz aufweist, die Wirkung im Vergleich zu derjenigen einer Abgasreinigungsvorrichtung
des Standes der Technik noch viel besser ist. Wenn eine gewisse Kostensteigerung
erlaubt ist, ist es natürlich im Rahmen der Erfindung möglich, die Auslaßleitung
in eine der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine entsprechende Anzahl von
Zweigleitungen zu unterteilen, in jeder der Zweigleitungen einen Dreifach-Katalysator
anzuordnen und einem jeden Dreifach-Katalysator Sekundärluft bzw. Zusatzluft zuzuführen.
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Obwohl bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform das Sekundärluft-Zuleitungssystem
derart aufgebaut ist, daß die Sekundärluft unter Ausnutzung des Pulsierens der Abgase
angesaugt wird, -um dadurch das Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase in zufriedenstellender
Weise zu ändern-, kann erfindungsgemäß das Zusatzluft-Zuführungssystem auch derart
ausgestaltet sein, daß eine von der Brennkraftmaschine angetriebene Luftpumpe Verwendung
findet. Obwohl in diesem Falle
die Sekundärluft ständig sämtlichen
Zweigleitungen zugeführt wird, werden die Abgase ebenfalls periodisch in jeder der
Zweigleitungen in Pulsierungen versetzt, so daß die Menge an zugeführter Sundärluft
in Abhängigkeit von diesem Pulsieren geändert wird und das Luft/Brennstoff-Verhältnis
der Abgase impulsartige Änderungen zeigt.
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Außerdem kann erfindungsgemäß zusätzlich zu der Steuerung der Zuführung
von Sekundärluft durch Ausnutzung des Pulsierens der Abgase die Zusatzluftzufuhr
auch durch in den Zuleitungen bzw. Zuführungskanälen angeordnete Ventileinrichtungen
zwangsweise periodisch ein- und abgeschaltet werden,wodurch eine bessere Wirkung
erzielbar ist.
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Gemäß dem vorstehend in Verbindung mit einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine
beschriebenen Konzept kann die Erfindung ferner bei jeder anderen Mehrzylinder-Brennkraftmaschine,
wie z.B. bei einer Achtzylinder-Brennkraftmaschine o.dgl., Verwendung finden.
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Im Rahmen der vorstehenden Beschreibung bezeichnet der Ausdruck "Abgas-Luft/Brennstoff-Verhaltnis"
das Luft/Brennstoff-Verhältnis eines noch nicht verbrannten Gemisches, das nach
der Verbrennung als Abgas ausgestoßen wird, wobei der Ausdruck im Falle einer Zuführung
von Sekundärluft das Luft/ Brennstoff-Verhältnis bezeichnet, das unter der Annahme
erhalten wird, daß das vorher verbrennende Gemisch mit Sekundärluft gemischt worden
ist. Das Luft/Brennstoff-Verhältnis repräsentiert somit einen Wert, der durch Berechnung
der Zusammensetzung der Abgase in Begriffen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines
vorher verbrennenden Gemisches erhalten wird.
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Es wird somit eine Abgasreinigungsvorrichtung vorgeschlagen, die
eine in zumindest zwei Zweigleitungen unterteilte Auslaßleitung aufweist, wobei
jede der Zweigleitungen mit einem verschiedenen Zylinder oder unterschiedlichen
Zylindern verbunden ist. Außerdem ist jede der Auslaßzweigleitungen mit einer Sekundärluft-Zuleitung
verbunden, über die SekundArluft
intermittierend am stromaufwärts
bzw. oberhalb gelegenen Ende eines in der jeweiligen Zweigleitung angeordneten Dreifach-Katalysators
zugeführt wird, wodurch periodisch das Luft/Brennstoff-Verhältnis von in den Dreifach-Katalysator
strömenden Abgasen innerhalb eines Bereiches geändert wird.
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