DE3013445A1

DE3013445A1 - Einrichtung zum verringern von abgas-schadstoffkomponenten eines verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE3013445A1
Application number: DE19803013445
Authority: DE
Inventors: Valerio Dr.-Ing. 4040 Neuss Bianchi; Erasmus Dr. 4000 Düsseldorf Schulte
Original assignee: Bosch and Pierburg System OHG
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 1980-04-05
Filing date: 1980-04-05
Publication date: 1981-10-08

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verringern von
Abgas-Schadstoffkomponenten eines Verbrennungsmotors, bei dem das zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels einer an eine Motorabgasleitung angeschlossenen Lambda-Sonde auf das stöchiometrische Lambda-Verhältnis 1 geregelt wird und zur katalytischen Nachverbrennung in der Motorabgasleitung der Lambda-Sonde ein multifunktioneller Dreiwege-Katalysator sowie eine Sekundärlufteinspeisung strömungsmäßig nachgeschaltet sind.
Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art ist der multifunktionelle Dreiwege-Katalysator mehrteilig, nämlich als Doppelbett-Katalysator ausgebildet. Der multifunktionelle Dreiwege-Katalysator der beiden gleichartigen Katalysatorteile zeichnet sich dadurch aus, daß die drei Schadstoffkomponenten NOx, HnCm und CO gleichermaßen stark in unschädliche Bestandteile umgesetzt werden, wenn sich das dem Verbrennungsmotor zur Verbrennung zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch in seiner Zusammensetzung möglichst wenig vom stöchiometrischen Lambda-Verhältnis 1 unterscheidet. Um eine diesem Wert weitgehend entsprechende Gemischzusammensetzung zu erzielen, muß der Verbrennungsmotor mit einem geschlossenen Lambda-Regelkreis versehen werden. Bei der katalytischen Nachverbrennung werden im gesamten Katalysator die NOx-Schadstoffkomponenten im Abgas reduziert und die HnCm sowie CO-Schadstoffkomponenten im Abgas oxidiert. Das Unterteilen des Dreiwege-Katalysators zu einem Doppelbett-Katalysator und das Zuführen von Sauerstoff aus der Umgebungsluft zum hinteren Katalysatorteil dienen dem Vergrößern der Umsetzungsrate bei der Oxydation (z. B. für den Kaltstart und den Warmlauf).
Die bekannte Einrichtung hat den Nachteil, daß der Dreiwege-Katalysator unterteilt sein und die Sekundärluft zwischen den beiden Katalysatorteilen zugeführt werden muß. Außerdem lassen sich mit einer derartigen Einrichtung nur relativ begrenzte Schadstoffverminderungen erzielen und die immer schärfer werdenden gesetzlichen Abgasemissionsbestimmungen, insbesondere die in den USA ab 1981 geltenden Emissionsgrenzwerte, nicht erfüllen. Dies gilt vor allem auch unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die realisierbaren Regelverfahren nur eine begrenzt genaue Regelung des Lambda-Verhältnisses auf den Wert 1 ermöglichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der genannten Art mit einfachen Mitteln so auszubilden, daß sich unter Vermeidung der geschilderten Nachteile eine wirksamere Umsetzung von Abgas-Schadstoffkomponenten in einem erweiterten Katalysatorfenster erzielen läßt, also in einem vergrößerten Lambda-Bereich, in dem der Katalysator gute Oxidations- und Reduktionsraten aufweist. Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich eine Einrichtung der im Oberbegriff genannten Art erfindungsgemäß durch einen einteilig ausgebildeten Dreiwege-Katalysator und eine diesem in Strömungsrichtung nachgeschaltete Sekundärlufteinspeisung aus. Die Sekundärluft wird durch den Unterdruck in der Motorabgasleitung angesaugt. Die in überwiegendem Maße zum Aufbau eines Unterdrucks beitragenden Einflüsse sind die Ventilüberschneidung und das Auslaßschließen. Aus diesem Grunde bewegt sich die durch den Unterdruck angesaugte Sekundärluft zuerst in Richtung des Auslaßventils. Die mit altem Abgas vermischte, angesaugte Sekundärluft strömt zunächst in umgekehrter Richtung durch den Dreiwege-Katalysator und dann bei der nächsten Druckwelle zurück zum Ausgang der Motorabgasleitung. Dabei ergeben sich im Katalysator nacheinander fette und magere Phasen, die durch die Speicherwirkung der Katalysatoroberfläche verlängert werden. Die dadurch hervorgerufene Wirkung gleicht derjenigen eines erweiterten Katalysatorfensters, also eines vergrößerten Lambda-Bereichs, in dem der Katalysator gute Oxidations- und Reduktionsraten aufweist. Weiterhin ergibt die doppelte Durchströmung des Katalysatorvolumens eine höhere Ausnutzung der katalysatischen Auswirkung. Insgesamt läßt sich hierdurch in relativ einfacher Weise ein besserer Abbau von Schadstoffkomponenten erzielen. Als weiterer Vorteil ergibt sich eine stärkere Entkoppelung der Lambda-Sonde von der Sekundärlufteinblasung und damit eine größere Sicherheit des Systems gegen Regelabweichungen. Die erfindungsgemäße Einrichtung eignet sich insbesondere auch zum Erfüllen der ab 1981 in den USA geltenden, vergleichsweise extrem scharfen Abgasbestimmungen.
Vorzugsweise ist eine Sekundärlufteinspeisung mit einem durch den Unterdruck in der Motorabgasleitung gesteuerten, selbstsaugenden Flatterventil vorgesehen. Derartige Flatterventile, die auch als SLS-Ventile bekannt sind, haben den Vorteil einer besonders einfachen Sekundärlufteinspeisung, da sie selbsttätig immer dann öffnen, wenn in der Motorabgasleitung ein ausreichender Unterdruck herrscht. Es sind somit keine externe Ventilsteuerung und hiermit verbundene Synchronisation erforderlich. Außerdem sind diese Flatterventile einfach, robust und relativ preiswert.
In weiterer Ausgestaltung ist ein eingangsseitig an einen Luftfilter des Verbrennungsmotors und ausgangsseitig an den zwischen dem Dreiwege-Katalysator sowie einem endseitigen Auspufftopf befindlichen Bereich der Motorabgasleitung angeschlossenes Flatterventil vorgesehen. Auf diese Weise wird im Unterdruck2ustand der Motorabgasleitung in wirksamer Weise stets saubere Sekundärluft angesaugt, wodurch der Dreiwege-Katalysator und die übrigen Teile der Einrichtung geschont werden.
Weiterhin hat sich eine der Sekundärlufteinspeisung nachgeschaltete und die Unterdruckwelle verstärkende, richtungsabhängige Drossel in der Motorabgasleitung mit einem geringen Strömungswiderstand in Ausstoßrichtung und einem vergleichsweise größeren Strömungswiderstand in entgegengesetzter Motoransaugrichtung als vorteilhaft erwiesen. Diese richtungsabhängige Drossel hat den erheblichen Vorteil, daß die Unterdruckwelle verstärkt wird, die überwiegend zur gleichen Zeit wie Rückströmungen auftritt.
Als richtungsabhängige Drossel können verschiedenartige Bauteile eingesetzt werden, beispielsweise ein Flatterventil oder ein über Druck- und/oder Strömungssensoren gesteuertes Ventil in der Motorabgasleitung. In diesem Zusammenhang ist es jedoch bevorzugt, eine richtungsabhängige Drossel mit einer sprunghaften Querschnittsverengung und einer sich stromab daran anschließenden, entsprechend dem Profil einer Laval-Düse langsamen Querschnittserweiterung der Motorabgasleitung vorzusehen. Eine derartige Anordnung besitzt die Eigenschaft, in Ausstoßrichtung einen kleineren Strömungswiderstand als in Ansaugrichtung auszuüben. Demnach hat diese Anordnung gegenüber einer Ventilsteuerung den Vorteil, daß sie ohne bewegte Teile arbeitet und somit besonders langlebig sowie betriebssicher ist. Vorzugsweise befindet sich in allen Fällen die richtungsabhängige Drossel zwischen der Sekundärlufteinspeisung und einem Auspufftopf der Motorabgasleitung.
Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in einer schematischen Ansicht eine bekannte Einrichtung zum Verringern von Abgas-Schadstoffkomponenten eines Verbrennungsmotors; Fig. 2 in einer schematischen Ansicht eine erste Ausführungsform einer entsprechenden Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung; und Fig. 3 in einer schematischen Ansicht eine zweite Ausführungsform einer entsprechenden Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Gemäß Figur 1 ist an einen Verbrennungsmotor 1 eine Motorabgasleitung 2 angeschlossen, in der sich eine Lambda-Sonde 3 befindet, die in nicht dargestellter Weise an einen Regelkreis angeschlossen ist, der dafür sorgt, daß das dem Motor zur Verbrennung zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch auf das stöchiometrische Lambda-Verhältnis 1 geregelt wird.
An die Motorabgasleitung 2 ist ausgangsseitig ein Auspufftopf 4 angeschlossen, durch den die Motorabgase ins Freie strömen.
Zwischen der Lambda-Sonde 3 und dem Auspuff-Topf 4 befindet sich in der Motorabgasleitung 2 ein zweiteiliger Dreiwege-Katalysator 5 mit einem ersten Katalysatorteil 6 und einem nachgeschalteten, zweiten Katalysatorteil 7. Beide Katalysatorteile 6, 7 bestehen aus dem gleichen multifunktionellen oder Dreiwege-Katalysatormaterial, welches gleichermaßen ein Reduzieren der NOxBestandteile und ein Oxidieren der HnCm- sowie CO-Bestandteile im Abgas ermöglicht. Zwischen den beiden Katalysatorteilen 6, 7 besitzt der Dreiwege-Katalysator 5 einen Einspeisungsabschnitt 8 mit einer Einspeiseleitung 9 für Sekundärluft. Im Einspeisungsabschnitt 8 sind nicht näher bezeichnete Luftaustrittsöffnungen vorgesehen.
Die Leitung 9 ist ferner an eine Sekundärluftleitung 10 angeschlossen, die mit einem Luftfilter verbunden sein kann, um dem Dreiwege-Katalysator 5 stets saubere Sekundärluft zuzuführen. Die Sekundärluftleitung 10 ist mit der Einspeiseleitung 9 über ein SLS- bzw. selbstgesteuertes Flatterventil 11 verbunden. Damnach kommt eine Sekundärlufteinspeisung in den Betriebsphasen zustande, in denen in der Motorabgasleitung 2 ein Unterdruck aufgebaut wird. Bei dieser bekannten Einrichtung erhält der erste Katalysatorteil 6 eine geringfügig fettere Abgaszusammensetzung, so daß er um NO -Abbau überwiegend reduzierend wirkt. Der x zweite Katalysatorccil 7 wird vom Abgas plus der vom Flatterventil 11 eingeführten Sekundärluft durchströmt und wirkt zum CO- sowie HC-Abbau überwiegend oxidierend. Das zu Sekundärluftzufuhr benutzte Flatterventil 11 ist lediglich beispielhaft und kann durch andere Mittel ersetzt werden.
Bei den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls ein Verbrennungsmotor 1 mit einer Motorabgasleitung 2 und einer daran angeschlossenen Lambda-Sonde 3 versehen, die über einen nicht dargestellten Regelkreis dafür sorgt, daß dem Verbrennungsmotor 1 zur Verbrennung ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit dem stöchiometrischen Lambda-Verhältnis 1 zugeführt wird. Ausgangsseitig ist die Motorabgasleitung 2 an einen Auspufftopf 4 angeschlossen, durch den die Motorabgase ins Freie ausströmen. Der Lambda-Sonde 3 ist im Unterschied zu Figur 1 ein einteilig ausgebildeter Dreiwege-Katalysator 12 strömungsmäßig nachgeschaltet, der wegen der Einteiligkeit auch als Einbett-Katalysator bezeichnet werden kann. Eine an einen nicht dargestellten Luftfilter angeschlossene Sekundärluftleitung 10 führt über ein SLS- bzw.
selbstgesteuertes Flatterventil 11 zu einer Sekundärlufteinspeisung 13 stromab vom Dreiwege-Katalysator 12. Diese den beiden Ausführungsformen gemäß den Figuren 2 und 3 gemeinsamen Merkmale ermöglichen ein unterdruckgesteuertes Ansaugen von Sekundärluft stromab vom ungeteilten Dreiwege-Katalysator 12. Die mit altem Abgas vermischte angesaugte Luft strömt zunächst durch den Dreiwege-Katalysator 12 in umgekehrter Richtung, d. h. in Richtung zum Verbrennungsmotor 1, und dann bei der nächsten Druckwelle wieder zurück in Richtung zum Auspufftopf 4. Im Dreiwege-Katalysator 12 ergeben sich dadurch nacheinander fette und magere Phasen, die durch die Speicherwirkung der Katalysatoroberfläche verlängert werden. Der damit erzeugte Effekt gleicht demjenigen eines erweiterten Katalysatorfensters. Abgesehen davon, daß bei diesem Aufbau die Notwendigkeit eines geteilten Dreiwege-Katalysators entfällt, werden die Anpassungsgenauigkeit entschärft, kleinere Abgasemissionen erzielt, die angesaugte Luftmenge vergrößert und die bekannte Lambda=1-Regelung mit Sekundärluftzufuhr insgesamt verbessert.
Die Ausführungsform nach Figur 3 unterscheidet sich von derjenigen nach Figur 2 dadurch, daß sich zwischen der Sekundärlufteinspeisung 13 und dem Auspufftopf 4 in der Motorabgasleitung 2 zusätzlich eine richtungsabhängige Drossel 14 befindet. Diese kann unterschiedlich gestaltet sein und besitzt im vorliegeden Fall keine beweglichen Teile. Die richtungsabhängige Drossel 14 besteht aus einer abrupten Querschnittsverengung 15 sromauf und einer sich hieran stromab anschließenden allmählichen Querschnittserweiterung 16 der Motorabgasleitung 2. Die Querschnittserweiterung 16 ist entsprechend dem Profil einer Laval-Düse gestaltet.
Hierdurch wird gewährleistet, daß die richtungsabhängige Drossel 14 einen kleineren Strömungswiderstand in Ausstoßrichtung und einen größeren Strömungswiderstand in Motoransaugrichtung ausübt. Dies führt zu einer wesentlichen Verstärkung der Unterdruckwelle in der Motorabgasleitung 2 stromauf von der richtungsabhängigen Drossel 14 und somit zu einem verbesserten Ansaugen von Sekundärluft mit dem Ergebnis eines günstigeren Betriebsverhaltens der Einrichtung. Die richtungsabhängige Drossel 14 könnte beispielsweise auch mit Flatterventilen oder mit über Druck- und/ oder Strömungssensoren gesteuerten Ventilen in der Motorabgasleitung gebildet werden.
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Claims

"Einrichtung zum Verringern von Abgas-Schadstoffkomponenten eines Verbrennungsmotors" Patentansprüche: Di Einrichtung zum Verringern von ten eines Verbrennungsmotors, bei dem das zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels einer an eine Motorabgasleitung angeschlossenen Lambda-Sonde auf das stöchRFetrische Lambda-Verhältnis 1 geregelt wird und zur katalytischen Nachverbrennung in der Motorabgasleitung der Lambda-Sonde ein multifunktioneller Dreiwege-Katalysator sowie eine Sekundärlufteinspeisung strömungsmäßig nachgeschaltet sind, gekennzeichnet durch einen einteilig ausgebildeten Dreiwege-Katalysator (12) und eine diesem in Strömungsrichtung nachgeschaltete Sekundärlufteinspeisung (13).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Sekundärlufteinspeisung (13) mit einem durch den Unterdruck in der Motorabgasleitung (2) gesteuerten, selbstsaugenden Flatterventil.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein eingangsseitig an eine + uftfilter des Verbrennungsmotors (1) und ausgangsseitig an den zwischen dem Dreiwege-Katalysator (12) sowie einem endseitigen Auspufftopf (4) befindlichen Bereich der Motorabgasleitung (2) angeschlossenes Flatterventil (11).
4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine der Sekundärlufteinspeisung (13) nachgeschaltete und die Unterdruckwelle verstärkende, richtungsabhängige Drossel (14) in der Motorabgasleitung (2) mit einem geringen Strömungswiderstand in Ausstoßrichtung und einem vergleichsweise größeren Strömungswiderstand in entgegengesetzter Motoransaugrichtung.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine richtungsabhängige Drossel (14) mit einer sprunghaften Querschnittsverengung (15) und einer sich stromab daran anschließenden, entsrmechend dem Profil einer Laval-Düse langsamen Querschnittserweiterung (16! der Motorabgasleitung (2).
6. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine als Flatterventil ausgebildete, richtungsabhängige Drossel (14).
7. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine richtungsabhängige Drossel (14) mit einem über Druck-und/oder Strömungssensoren gesteuerten Ventil in der Motorabgasleitung (2).
8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine richtungsabhängige Drossel (14) zwischen der Sekundärlufteinspeisung (13) und einem Auspufftopf (4).