DE3918596A1 - Verfahren und vorrichtung zur katalytischen behandlung der abgase von verbrennungsmotoren - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur katalytischen behandlung der abgase von verbrennungsmotorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur katalayti
schen Behandlung der Abgase von Verbrennungsmotoren,
insbesondere von Fahrzeugmotoren, bei dem die Ver
brennungsabgase ständig einen Katalysator durch
fließen und eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
Beim Kaltstart von Verbrennungsmotoren werden mit den
Abgasen große Mengen von Schadstoffen emittiert.
Nachgeschaltete katalytische Konverter oder Katalysa
toren erfordern eine bestimmte Mindesttemperatur zur
Entfaltung ihrer Wirkung. Bis zum Erreichen der Min
desttemperatur werden die Schadstoffe nicht konver
tiert und an die Umwelt abgegeben.
Die üblichen Drei-Wege-Katalysatoren enthalten Kata
lysatormaterial zur Oxydation von CO und unverbrannten
Kohlenwasserstoffen, sowie Material zur Reduktion von
NOx. Durch den Reaktionsverzug des Katalysators bis
zum Erreichen der Betriebstemperatur werden insbeson
dere CO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe betrof
fen, während nennenswerte Emissionen von NOx erst
bei den üblichen Betriebstemperaturen auftreten.
Zur Reduzierung dieses Reaktionsverzuges des Kataly
sators sind viele Möglichkeiten zumindest theoretisch
untersucht worden, beispielsweise die elektrische
Aufheizung der Abgase vor ihrem Eintritt in den Kata
lysator, die zusätzliche Aufheizung des Katalysators
oder die Warmhaltung des Katalysators durch Wärmeiso
lierung bzw. Anwendung eines Wärmespeichers.
Bei der elektrischen Aufheizung der Abgase oder des
Katalysators sind hohe Ströme erforderlich, die von
serienmäßig in Kraftfahrzeuge eingebauten elektri
schen oder Stromerzeugern nicht ohne teuere Auf
stockung geliefert werden können.
Die Warmhaltung von Katalysatoren durch Wärmeiso
lierung bzw. Wärmespeicherung birgt das Problem der
Überhitzung, insbesondere bei Vollast der Anlage, in
sich.
Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zu entwickeln, bei denen die kataly
tische Umwandlung möglichst frühzeitig einsetzt und
damit die Schadstoffemission auf ein Minimum redu
ziert wird, wobei zugleich die zusätzliche Inan
spruchnahme elektrischer Energie, wie auch die Gefahr
der Überhitzung bei hoher Last vermieden werden soll
und bei denen die Erfordernisse einer wirtschaftli
chen Fertigung berücksichtigt sind.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß in Be
triebszuständen unterhalb einer vorgegebenen Um
schaltbedingung, insbesondere bei mäßiger Abgastempe
ratur und/oder bei niedriger Drehzahl und niedriger
Last, die Abgase vor ihrem Eintritt in den Katalysa
tor in einem Vorheizbereich durch einen Wärmespeicher
beheizt werden.
Der Wärmespeicher kann durch Verlustwärme des Motors
geladen werden, so daß der Einsatz elektrischer Ener
gie nicht erforderlich ist. Durch die vom Wärmespei
cher an das Abgas abgegebene Wärme tritt die kataly
tische Umwandlung im Katalysator sehr frühzeitig ein,
weil die erforderliche Mindesttemperatur des kataly
tischen Materials schneller erreicht bzw. überschrit
ten wird. Die Wärmeabgabe vom Wärmespeicher wird so
lange aufrechterhalten, bis aufgrund der Abgastempe
ratur am Verbrennungsmotor bzw. der Temperatur des
Katalysators eine zusätzliche Wärmeabgabe an das
Abgas nicht mehr erforderlich ist.
Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß
die Abgase in Betriebszuständen mit mäßigen Abgastem
peraturen im Vorheizbereich durch einen für hohe
Effizienz bei niedrigen Drehzahlen und niedrigen
Belastungen ausgelegten Wärmespeicher geleitet und
daß beim Eintreten einer vorgegebenen Umschaltbedin
gung, insbesondere bei hoher Abgastemperatur und/oder
bei hoher Belastung oder hoher Drehzahl des Ver
brennungsmotors, die Abgase unter Umgehung des Wärme
speichers direkt dem Katalysator zugeleitet werden,
weil der so ausgelegte Wärmespeicher bei hohen Dreh
zahlen und/oder hoher Last einen zu hohen Druckwider
stand erzeugt. Außerdem würde der Wärmespeicher durch
die dabei auftretenden sehr hohen Abgastemperaturen
thermisch überlastet. Durch diese Auslegung kann der
Wärmespeicher besonders kompakt ausgeführt werden,
weil beispielsweise beim Ottomotor bei den Drehzahlen
und der Last, bei welchen die Abgase über den Wärme
speicher geleiet werden, die Abgasmenge weniger als
ein Viertel der Abgasmenge ist, die beim Auslegungs-
Punkt des Katalysators anfällt. Die kompakte Ausfüh
rung wirkt sich raumsparend und kostensenkend aus.
Ein weiterer Vorteil der Umgehung des Wärme
speiches bei hoher Belastung und/oder hohen Drehzah
len ist die geringe zeitliche Inanspruchnahme des
Wärmespeichers und die damit verbundene geringe Al
terung.
Eine andere zweckmäßige Ausführungsform besteht
darin, daß die Abgase im Vorheizbereich durch
einen Wärmetauscher geleitet werden und daß nur in
Betriebszuständen mit mäßigen Abgastemperaturen ein
Heizkreislauf zwischen dem Wärmetauscher und einem
Wärmespeicher aufrechterhalten wird, wobei nach einer
weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der im Heizkreis
lauf umlaufende Wärmeträger aus dem Wärmetauscher
abgezogen wird, wenn der Katalysator die für die
Katalysatorwirkung nötige Mindesttemperatur erreicht
hat.
Üblicherweise werden Kraftfahrzeugmotoren, insbeson
dere Otto-Motoren beim Kaltstart mit Kraftstoffüber
schuß gestartet. In der Startphase besteht deshalb
die Gefahr, daß trotz der Erwärmung der Abgase durch
den Wärmespeicher die katalytische Oxydation von CO
und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe nicht
oder nicht vollständig stattfindet, weil der Luftan
teil zu gering ist. Es ist bekannt, deshalb den
Abgasen Sekundärluft zuzuführen, was aufgrund der
Nachverbrennung im Abgas zu einer Temperaturerhöhung
führt. Um nicht durch Verringerung der Temperaturdif
ferenz die Wärmeaufnahme des Abgases im Wärmespeicher
zu reduzieren, stellt es deshalb eine vorteilhafte
Ausgestaltung dar, daß die Sekundärluft den Abgasen
zwischen dem Vorheizbereich und dem Katalysator zuge
führt wird.
Da der Wärmespeicher beim Start des Verbrennungsmo
tors die Abgastemperatur sehr rasch anhebt, besteht
eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung darin, daß
zumindest ein Teil der katalytischen Umwandlung an
mit oxydationskatalytischem Material beschichteten,
vom Abgas bestrichenen Wärmetauscherflächen im
Vorheizbereich stattfindet. Dadurch erfolgt bereits
kurz nach dem Start eine oxydationskatalytische
Umwandlung im Vorkatalysator und deren Reaktionswärme
heizt den ständig durchflossenen Katalysator auf. In
diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn den Abgasen vor
dem Eintritt in den Vorheizbereich Sekundärluft zuge
führt wird, weil in diesem Fall die Temperaturstei
gerung vor dem Vorheizbereich die katalytische Oxyda
tion im Vorheizbereich begünstigt. Außerdem ist es
zweckmäßig, wenn die Speichertemperatur über der
Ansprechtemperatur des katalytischen Materials liegt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht
darin, daß das Abgas zunächst durch einen Wärmespei
cher aufgeheizt, dann dem Abgas zur Nachverbrennung
Sekundärluft zugeführt und das mit Sekundärluft ange
reicherte Abgas durch einen katalytisch beschichteten
Wärmespeicher geleitet wird. Eine solche Verfahrens
weise ist besonders effektiv und kann - wie nachfol
gend noch ersichtlich wird - mit einem relativ einfa
chen Wärmespeicher mit zwei gegenläufig durchströmten
Kammern verwirklicht werden.
Es ist zwar bekannt, Katalysatoren zur Verkürzung der
Ansprechzeit beim Kaltstart einen kleinen Katalysator
vorzuschalten, der ebenfalls ständig vom Abgas
durchströmt wird. Aufgrund des geringeren Volumens
soll sich dieser Vorkatalysator schneller Erwärmen
und daher seine schadstoffreduzierende Wirkung be
reits zeitlich vor dem Hauptkatalysator entfalten. Er
verursacht aber unerwünschte Nebeneffekte, insbe
sondere einen hohen Druckverlust mit Rückwirkungen
auf die Motorleistung bei Vollast.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß bei
der Verfahrensweise mit direkter Durchströmung des
Wärmespeichers durch das Abgas, beim Eintritt der
Umschaltbedingung die Umgehung des Wärmespeichers mit
einer der Wiederaufladung des Wärmespeichers dienen
den Verzögerung freigegeben wird und daß bei der
einen Wärmetauscher mit Heizkreislauf einsetzenden
Verfahrensweise beim überschreiten einer vorgegebenen
Temperaturschwelle der Heizkreislauf unterbrochen
wird.
Eine Vorrichtung mit einem Verbrennungsmotor und
einem in dessen Abgasleitung eingefügten Katalysator
besteht erfindungsgemäß darin, daß ein Wärmespeicher
wahlweise in die Abgasleitung zwischen Verbrennungs
motor und Katalysator einschaltbar ist, wobei nach
einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Wärmetauscher
ein durch Abfallwärme des Verbrennungsmotors ladbarer
Wärmespeicher, wie etwa ein Latentwärmespeicher ist.
Latentwärmespeicher können bei relativ geringem Bau
volumen die erforderliche Wärmemenge zur Verfügung
stellen, können auch beengten Raumverhälnissen ange
paßt werden und können besonders einfach mit der
Abfallwärme des Motors geladen werden, so daß die
Ausrüstung eines Fahrzeugs mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung auf wirtschaftliche Weise möglich ist.
Eine sehr zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin,
daß der Wärmespeicher für hohe Effizienz bei niedri
ger Belastung und niedrigen Drehzahlen des Verbren
nungsmotors ausgelegt ist, um durch die dadurch er
möglichte kompakte Bauweise die bereits erwähnten
Vorteile zu erhalten.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht
darin, daß der Durchflußquerschnitt des Wärmespei
chers entlang seiner wärmetauschenden Flächen,
zur Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit des Ab
gases im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit im
Katalysator, reduziert ist. Durch die höhere Strö
mungsgeschwindigkeit steigt die Wärmedurchgangszahl,
auch k-Wert genannt, von der in hohem Maße die
Kosten, das Bauvolumen und das Gewicht eines Wärme
tauschers bzw. dessen Effektivität abhängen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zur Beschleu
nigung des Temperaturanstiegs im Abgas besteht darin,
daß in dem über den Wärmespeicher führenden Strö
mungsweg eine einen Abgasstau am Motor - und damit
einen Temperaturanstieg - verursachende Drosselstelle
angeordnet ist.
Nach einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform
können beide Maßnahmen dadurch zusammengefaßt werden,
daß die Drosselstelle durch den reduzierten Quer
schnitt des Wärmespeichers gebildet wird.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform besteht darin,
daß die Abgasleitung zwischen Wärmespeicher und Kata
lysator mit einem zu- und abschaltbaren Anschluß für
Sekundärluft versehen ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht
darin, daß zumindest ein Teil der dem Abgas zugeord
neten Wärmetauscherfläche des Wärmespeichers mit
oxydationskatalytischem Material beschichtet ist,
wobei dann vorzugsweise stromauf vom Wärmespeicher
die Abgasleitung mit einem zu- und abschaltbaren An
schluß für Sekundärluft versehen ist.
Eine besonders einfache und wirkungsvolle Ausfüh
rungsform besteht darin, daß der Wärmespeicher zwei
parallel angeordnete und gegenläufig vom Abgas
durchströmte Kammern aufweist, wobei der Ausgang der
ersten und der Eingang der zweiten Kammer durch eine
Umlenkkammer verbunden sind, die mit einem Anschluß
für Sekundärluft versehen ist, und daß die dem Abgas
zugeordnete Wärmetauscherfläche der zweiten Kammer
mit oxydationskatalytischem Material beschichtet ist.
Noch eine andere zweckmäßige Ausgestaltung ist es,
daß in dem den Wärmespeicher umgehenden Abschnitt der
Abgasleitung eine zwischen einer geöffneten und einer
geschlossenen Stellung beliebig verstellbare Drossel
klappe angeordnet ist. Dadurch wird ein allmählicher
Übergang von der Abgasbeheizung durch den Wärmespei
cher zur unbeheizten Verfahrensweise ermöglicht.
Um eine Überhitzung des Wärmespeichers zu vermeiden,
ist nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
der über den Wärmespeicher führende Abschnitt der
Abgasleitung absperrbar.
Diese kostenverursachende Absperrvorrichtung kann
eingespart werden, wenn nach einer weiteren, bevor
zugten Ausführungsform die Abgasleitung eine um eine
die Abgasleitung querende Achse verschwenkbare Dros
selklappe enthält, mit der Abgasleitung in einer
diese Achse enthaltenden Querschnittsebene der Abgas
leitung und in bezug auf diese Achse einander diame
tral gegenüberliegend zwei Zweigleitungen verbunden
sind, deren eine mit der Einmündung in den Wärmespei
cher und deren andere mit der Ausmündung aus dem
Wärmespeicher verbunden ist, und wenn in der Sperr
stellung die Drosselklappe derart schräg zur Durch
flußrichtung der Abgasleitung verläuft, daß sie die
beiden Zweigleitungen voneinander trennt.
Bei einer solchen Anordnung besteht zwischen den
Anschlüssen der beiden Zweigleitungen kein Druckun
terschied, so daß bei geöffneter Drosselklappe keine
Strömung über den Wärmespeicher stattfindet. Ist die
Drosselklappe in ihrer Sperrstellung, wird durch die
Trennung der beiden Zweigleitungsanschlüsse der Abgas
strom über den Wärmetauscher geleitet.
Bei einer Zwischenstellung der Drosselklappe strömt
nur ein Teil der Abgase über den Wärmespeicher,
wodurch der Speicher noch aufgeladen werden kann,
wenn die Umschaltbedingung eingetreten ist, aber die
Abgastemperatur noch nicht für den Speicher schädlich
ist.
Eine andere vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens besteht darin, daß zwischen Verbren
nungsmotor und Katalysator ein Wärmetauscher angeord
net ist, der über einen einen Wärmeträger enthalten
den Heizkreislauf mit einem Wärmespeicher verbunden
ist, der ebenfalls ein durch Abfallwärme des Verbren
nungsmotors ladbarer Wärmespeicher sein kann.
Vorzugsweise ist der Heizkreislauf mit einer wahl
weise zu- oder abschaltbaren Förderpumpe versehen,
wobei nach einer ersten Variante der Wärmetauscher
höher liegt als ein im Heizkreislauf angeordneter
Ausgleichsbehälter für den Wärmeträger und daß die
Förderpumpe unterhalb des Ruhepegels im Ausgleichsbe
hälter und in Förderrichtung zwischen Ausgleichsbe
hälter und Wärmetauscher angeordnet ist, so daß beim
Abschalten der Förderpumpe der fließfähige Wärmeträ
ger unter dem Einfluß der Schwerkraft aus dem Wärme
tauscher abströmt und eine Wärmeübertragung vom Wär
metauscher zum Wärmespeicher und damit eine zu starke
thermische Belastung des Wärmespeichers bei hoher
Last und/oder hohen Drehzahlen vermieden wird.
Eine andere Variante besteht darin, daß der Wärmetau
scher tiefer liegt als ein im Heizkreislauf angeord
neter Ausgleichsbehälter für den Wärmeträger, daß in
Förderrichtung zwischen dem Ausgleichsbehälter und dem
Wärmetauscher ein Absperrventil angeordnet ist und
daß zwischen dem Wärmetauscher und dem Ausgleichsbe
hälter aufeinanderfolgend die Förderpumpe, eine Rück
flußsperre und der Wärmespeicher angeordnet sind. In
diesem Fall kann der Wärmetauscher durch die Förder
pumpe entleert werden, wenn das Absperrventil ge
schlossen ist. Sobald das Absperrventil geöffnet
wird, füllt sich der Wärmetauscher unter dem Einfluß
der Schwerkraft wieder mit dem Wärmeträger, während
bei der erstgenannten Variante der Wärmetauscher
durch die Förderpumpe gefüllt werden muß.
Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung kann
die Abgasleitung zwischen Wärmetauscher und Katalysa
tor mit einem zu- und abschaltbaren Anschluß für
Sekundärluft versehen sein.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist
zumindest ein Teil der dem Abgas zugeordneten Wärme
tauscherfläche des Wärmetauschers mit oxydationskata
lytischem Material beschichtet, wobei dann zweckmäßi
gerweise stromauf vom Wärmetauscher die Abgasleitung
mit einem zu- und abschaltbaren Anschluß für Sekun
därluft versehen ist.
Um eine möglichst effektive Isolierung des Wärmespei
chers zu erhalten, besteht eine bevorzugte Ausge
staltung darin, daß die Einmündung und Ausmündung an
der Unterseite des Wärmespeichers über eine zur Aus
bildung einer wärmeisolierenden Sperrschicht im Ruhe
zustand ausreichende vertikale Länge durch dessen
Wärmeisolierung geführt sind.
Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Er
findung wird diese näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Abgas
systems eines Fahrzeug-Verbrennungsmotors
mit Wärmespeicher,
Fig. 2 eine Variante des Wärmespeicheranschlusses
an die Abgasleitung,
Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung
einer ersten Variante eines Abgassystems mit
Wärmetauscher und
Fig. 4 eine zweite Variante dieses Abgassystems.
Die in einem Verbrennungsmotor 10 entstehenden Abgase
werden über eine Abgasleitung 12 abgeleitet, die über
einen ständig durchflossenen Katalysator 14 führt.
Zwischen dem Motor 10 und dem Katalysator 14 ist der
Abgasleitung 12 ein Wärmespeicher 16 parallelgeschal
tet, dessen Einströmkammer 18 über eine Zweigleitung 20
und dessen Ausströmkammer 22 über eine Zweigleitung 24
mit der Abgasleitung 12 verbunden ist, wobei sich
zwischen der Abzweigung 26 der Zweigleitung 20 und
der Einmündung 28 der Zweigleitung 24 ein den Wärme
speicher 16 umgehender Abschnitt 30 der Abgasleitung
12 erstreckt.
Auf die Einströmkammer 18 folgt eine erste Speicher
kammer 19, die vom Abgas durchströmt wird. Parallel
zu dieser ersten Speicherkammer 19 ist eine zweite
Speicherkammer 23 angeordnet, die mit der Ausström
kammer 22 verbunden ist und in die das aus der ersten
Speicherkammer 19 austretende Abgas über eine beide
Speicherkammern 19 und 23 überdeckende Umlenkkammer
21 gelangt und in ihr zur Ausströmkammer 22 strömt.
Die Kammern 18, 19, 21, 22, 23 werden von einem
Isolierbereich 25 umschlossen.
Der Wärmespeicher ist beispielsweise als Latentwärme
speicher ausgebildet, der für hohe Effizienz bei
niedrigen Motordrehzahlen ausgelegt ist. Außerdem
sind vom Abgas bestrichene Wärmetauscherflächen mit
oxydationskatalytischem Material beschichtet.
Um das Abgas wahlweise über den Wärmespeicher 16
leiten zu können, ist im Abschnitt 30 eine zwischen
einer Öffnungsstellung und einer in der Zeichnung
gezeigten Schließstellung stufenlos verstellbare
Drosselklappe 32 vorgesehen. Damit bei voll geöffne
ter Drosselklappe keine durch den Druckunterschied
zwischen der Abzweigung 26 und der Einmündung 28
verursachte Strömung des Abgases durch den Wärmespei
cher 16 stattfinden kann, ist in den über den Wärme
speicher 16 führenden Leitungszweig, beispielsweise
in die Zweigleitung 20, eine Absperrvorrichtung, etwa
in Form einer Drosselklappe 34, einbezogen.
Wird beispielsweise durch eine am Ausgang des Abgas
sammlers 36 angebrachte Meßsonde 38 ein Betriebszu
stand ermittelt, bei dem eine weitere Wärmeabgabe vom
Wärmetauscher 16 an das Abgas zur Initiierung oder
Aufrechterhaltung der Katalysatorwirkung nicht erfor
derlich ist, kann die Drosselklappe 34 geschlossen
und die Drosselklappe 32 geöffnet werden, wobei ein
allmählicher Übergang durch die stufenlose Verstell
barkeit der Drosselklappen 32 und 34 möglich ist.
Vorzugsweise wird jedoch der Strömungsweg über den
Wärmespeicher erst mit einer so ausreichenden Verzö
gerung geschlossen, daß der Speicher durch die in
zwischen Betriebstemperatur aufweisenden Abgase wie
der geladen werden kann.
Bei Abgastemperaturen oberhalb eines gegebenen Grenz
wertes sollte der Wärmespeicher 16 nicht mit Abgas
beaufschlagt werden, um eine Überhitzung bzw. Schä
digung des Wärmespeichers 16 zu vermeiden. Auch bei
einer hohen Motorbelastung sollte der Wärmetauscher
16 nicht vom Abgas durchströmt werden, weil sich dann
sein Druckwiderstand schädlich auswirkt.
Es kann deshalb die Steuerung des Abgasdurchflusses
durch den Wärmespeicher 16 auch so getroffen werden,
daß diese Strömung nur unterbrochen wird, wenn die
Abgastemperatur und/oder die Motorbelastung einen
vorgegebenen Wert überschreitet. Dabei kann diese
Steuerbedingung zusätzlich zur Sicherheit vorgesehen
sein, oder es kann die einzige Steuerbedingung sein,
so daß der Wärmespeicher ständig geladen wird, solan
ge sich der Abgasfluß über den Wärmespeicher 16 nicht
schädlich auswirkt.
Damit unter Startbedingungen mit Brennstoffüberschuß
am Motor 10 ausreichend Luft zur Oxydation bereits an
den beschichteten Wärmetauscherflächen im Wärmespei
cher 16 zur Verfügung steht, ist stromauf vom Wärme
speicher 16 ein Sekundärluftanschluß 40 vorgesehen.
Die durch die Sekundärluft ermöglichte Nachverbren
nung verkürzt die Zeitspanne zwischen dem Start des
Motors und dem Einsetzen der Katalysatorwirkung im
Wärmespeicher 16. Außerdem trägt die Reaktionswärme
dazu bei, den Katalysator 14 rasch auf die erfoderli
che Betriebstemperatur zu bringen.
Sofern der Wärmespeicher 16 kein oxydationskatalyti
sches Material enthält, sollte der Sekundärluftan
schluß erst vor dem Katalysator 14 angeordnet werden,
wie die durch unterbrochene Linien bei 42 angedeutet
ist, damit die durch die Sekundärluft ermöglichte
Nachverbrennung das Abgas nicht vor dem Wärmetauscher
16 aufheizen und dadurch die Wärmeaufnahme im Wärme
speicher reduzieren kann, während andererseits diese
Aufheizung vor dem Katalysator 12 erwünscht ist.
Die Fig. 2 zeigt eine Variante des Anschlusses des
Wärmespeichers 16 an die Abgasleitung 12, durch die
die Drosselklappe 34 entfallen kann. Die Abzweigung
26 und die Einmündung 28 liegen sich dabei in der
die Achse 44 der Drosselklappe 32 enthaltenden Quer
schnittsebene der Abgasleitung 12 derart gegenüber,
daß ihre gedachte Verbindung diese Achse 44 recht
winklig schneidet. In der Schließstellung verläuft
die Drosselklappe 32 schräg zur Durchflußrichtung der
Abgasleitung 12, beispielsweise unter 45°.
In der in Fig. 2 gezeigten Schließstellung trennt die
Drosselklappe 32 die Abzweigung 26 und die Einmündung
28, so daß das Abgas vollständig über den Wärmetau
scher 16 geleitet wird. Wird die Drosselklappe 32
geöffnet, besteht kein Druckunterschied zwischen der
Abzweigung 26 und der Einmündung 28, so daß keine
Strömung über den Wärmespeicher 16 verursacht wird,
es sei denn durch die Drosselwirkung bei unvollstän
dig geöffneter Drosselklappe 32.
Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 ist in der
Abgasleitung 12 zwischen dem Motor 10 und dem Kataly
sator 14 ein Wärmetauscher 50 angeordnet, der außer
dem in einen Heizkreislauf 52 einbezogen ist, der
über einen Wärmespeicher 54 führt. Der Heizkreislauf
enthält außerdem eine Förderpumpe 56 und einen mit
einer Belüftung 57 versehenen Speicher 58 für den im
Heizkreislauf umlaufenden Wärmeträger.
Beim Betrieb mit einem flüssigen Wärmeträger im Heiz
kreislauf ist die vertikale Länge der den Isolierbe
reich 25 durchquerenden Zweigleitungen 20 und 24
jeweils derart bemessen, das sich zwischen dem im
Speicher 54 befindlichen heißen Wärmeträger und dem
im Heizkreislauf außerhalb des Isolierbereichs 5
befindlichen, sich beim Stillstand der Förderpumpe 56
abkühlenden Wärmeträger eine isolierende Sperrschicht
ausbilden kann.
Vorzugsweise sind die vom Abgas beaufschlagten, vom
Wärmetransportmedium beheizten und nicht näher darge
stellten Wärmetauscherflächen im Innneren des Wärme
tauschers 50 mit oxydationskatalytischem Material
beschichtet, so daß im Wärmetauscher 50 ebenso wie es
oben für den direkt vom Abgas durchströmten Wärme
speicher 16 beschrieben ist, eine Oxydation von CO
und eine Nachverbrennung der unverbrannten Kohlenwas
serstoffe bzw. Ruß stattfinden kann, wobei die Reak
tionswärme zur Temperaturerhöhung im Abgas und damit
zu einem frühzeitigen Funktionsbeginn am Katalysator
14 beiträgt.
Für den Luftbedarf sorgt dabei der Sekundärluftan
schluß 62. Ist der Wärmetauscher 50 ohne oxydations
katalytische Beschichtung, wird der Sekundärluftan
schluß zwischen Wärmespeicher 50 und Katalysator 14
angeordnet, wie dies in unterbrochenen Linien bei 62
gezeigt ist.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Variante liegt der
Wärmetauscher 50 höher als der Ausgleichsbehälter 58,
so daß beim Stillstand der Förderpumpe 56 der fließ
fähige Wärmeträger unter dem Einfluß der Schwerkraft
aus dem Wärmetauscher 50 abfließt, wobei der Pegel
stand im Ausgleichsbehälter vom Betriebspegel 64 auf
den Ruhepegel 66 ansteigt. Weil der Wärmeträger den
Wärmetauscher 50 verlassen hat, können für den Wärme
speicher 54 schädliche hohe Temperaturen nicht auf
den Wärmespeicher 54 übertragen werden.
Sobald der Heizkreislauf 52 wieder in Funktion ge
bracht werden soll, wird die Förderpumpe 56 einge
schaltet, wodurch der Wärmeträger aus dem Aus
gleichsbehälter 58 wieder über den Wärmetauscher 50
zum Wärmespeicher 54 befördert wird und dabei entwe
der im Wärmetauscher 50 Speicherwärme an das Abgas
abgibt oder zur Ladung des Wärmespeichers 54 Wärme
vom Abgas zum Wärmespeicher 54 transportiert.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Variante liegt der Aus
gleichsbehälter 58 höher als der Wärmetauscher 50 und
zwischen dem Wärmetauscher 50 und dem Wärmespeicher
54 sind in Förderrichtung die Förderpumpe 56 und auf
diese folgend eine Rückflußsperre 68 und der Wärme
speicher 54 angeordnet. In Förderrichtung auf den
Wärmespeicher 54 folgend ist zwischen diesem und dem
Wärmetauscher 50 ein Absperrventil 70 angeordnet.
Bei dieser Ausführungsform wird der Wärmetauscher 50
durch die Förderpumpe 56 entleert, die den Wärmeträ
ger nach dem Schließen des Absperrventils 70 in den
Ausgleichsbehälter 58 fördert, von wo er durch die
Rückflußsperre 68 zwischen Wärmespeicher 54 und För
derpumpe 56 am Rückfluß gehindert wird. Nach dem
Öffnen des Absperrventils 70 strömt der Wärmeträger
unter dem Einfluß der Schwerkraft in den Wärmetau
scher 50. Der Wärmetauscher 50 und der Ausgleichsbe
hälter 58 sind durch eine Luftausgleichsleitung 72
miteinander verbunden.
Um den Wärmetausch im Wärmespeicher 16 zu intensivie
ren, kann die Strömungsgeschindigkeit des Abgases
längs der Wärmetauscherflächen im Wärmetauscher im
Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit im Katalysator
erhöht werden, indem der Durchflußquerschnitt im
Bereich dieser Wärmetauscherflächen reduziert wird.
Um einen rascheren Temperaturanstieg im Abgas zu
erhalten, kann außerdem in dem über den Wärmespeicher
16 führenden Strömungsweg eine Drosselstelle angeord
net werden, die einen Abgasstau am Motor verursacht.
Eine solche Drosselstelle kann - wie bei 39 gezeigt -
vor dem Wärmespeicher 16, oder - wie bei 41 gezeigt -
hinter dem Wärmespeicher 16 angeordnet werden. Es
kann aber auch die vorstehend erwähnte Verringerung
des Durchflußquerschnitts im Wärmespeicher als Dros
selstelle dienen.
Claims (31)
1. Verfahren zur katalytischen Behandlung der
Abgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere von
Fahrzeugmotoren, bei dem die Verbrennungsabgase stän
dig einen Katalysator durchfließen, dadurch ge
kennzeichnet, daß in Betriebszuständen unterhalb
einer vorgegebenen Umschaltbedingung, insbesondere
bei mäßiger Abgastemperatur und/oder bei niedriger
Drehzahl und niedriger Last, die Abgase vor ihrem
Eintritt in den Katalysator in einem Vorheizbereich
durch einen Wärmespeicher beheizt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Abgase in Betriebszuständen mit mäßigen
Abgastemperaturen im Vorheizbereich durch einen für
hohe Effizienz bei niedrigen Drehzahlen und niedrigen
Belastungen ausgelegten Wärmespeicher geleitet und
daß beim Eintreten einer vorgegebenen Umschaltbedin
gung, insbesondere bei hoher Abgastemperatur und/oder
bei hoher Belastung oder hoher Drehzahl des Ver
brennungsmotors, die Abgase unter Umgehung des Wärme
speichers direkt dem Katalysator zugeleitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abgase im Vorheizbereich durch
einen Wärmetauscher geleitet werden und daß nur in
Betriebszuständen mit mäßigen Abgastemperaturen ein
Heizkreislauf zwischen dem Wärmetauscher und einem
Wärmespeicher aufrechterhalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der im Heizkreislauf umlaufende Wärme
träger aus dem Wärmetauscher abgezogen wird, wenn der
Katalysator die für die Katalysatorwirkung nötige
Mindesttemperatur erreicht hat.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß den Abgasen zwischen dem
Vorheizbereich und dem Katalysator Sekundärluft zuge
führt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der
katalytischen Umwandlung an mit oxydationskatalyti
schem Material beschichteten, vom Abgas bestrichenen
Wärmetauscherflächen im Vorheizbereich stattfindet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß den Abgasen vor dem Eintritt in den
Vorheizbereich Sekundärluft zugeführt wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 6, da
durch gekennzeichnet, daß das Abgas zunächst durch
einen Wärmespeicher aufgeheizt, dann dem Abgas zur
Nachverbrennung Sekundärluft zugeführt und das mit
Sekundärluft angereicherte Abgas durch einen kataly
tisch beschichteten Wärmespeicher geleitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß beim Eintritt der Umschaltbedingung die
Umgehung des Wärmespeichers mit einer der Wiederauf
ladung des Wärmespeichers dienenden Verzögerung frei
gegeben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß beim Überschreiten einer vorgegebenen
Temperaturschwelle der Heizkreislauf unterbrochen
wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 1 mit einem Verbrennungsmotor (10) und
einem in dessen Abgasleitung (12) eingefügten Kataly
sator (14), dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärme
speicher (16) wahlweise in die Abgasleitung (12)
zwischen Verbrennungsmotor (10) und Katalysator (14)
einschaltbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Wärmespeicher (16) für hohe
Effizienz bei niedriger Belastung und niedrigen Dreh
zahlen des Verbrennungsmotors ausgelegt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt des
Wärmespeichers (16) entlang seiner wärmetauschenden
Flächen, zur Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit
des Abgases im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit
im Katalysator, reduziert ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder
13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem über den
Wärmespeicher (16) führenden Strömungsweg eine einen
Abgasstau am Motor verursachende Drosselstelle (39;
41) angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 und 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle durch
den reduzierten Querschnitt des Wärmespeichers gebil
det wird.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis
15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (12)
zwischen Wärmespeicher (16) und Katalysator (14) mit
einem zu- und abschaltbaren Anschluß (42) für Sekun
därluft versehen ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis
15, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil
der dem Abgas zugeordneten Wärmetauscherfläche des
Wärmespeichers (16) mit oxydationskatalytischem Mate
rial beschichtet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekenn
zeichnet, daß stromauf vom Wärmespeicher (16) die
Abgasleitung (12) mit einem zu- und abschaltbaren
Anschluß (40) für Sekundärluft versehen ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Wärmespeicher zwei parallel
angeordnete und gegenläufig vom Abgas durchströmte
Kammern (19, 23) aufweist, wobei der Ausgang der
ersten und der Eingang der zweiten Kammer durch eine
Umlenkkammer (21) verbunden sind, die mit einem Anschluß
für Sekundärluft versehen ist, und daß die dem Abgas
zugeordnete Wärmetauscherfläche der zweiten Kammer
mit oxydationskatalytischem Material beschichtet ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis
19, dadurch gekennzeichnet, daß in dem den Wärmespei
cher (16) umgehenden Abschnitt (30) der Abgasleitung
(12) eine zwischen einer geöffneten und einer ge
schlossenen Stellung beliebig verstellbare Drossel
klappe (32) angeordnet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekenn
zeichnet, daß der über den Wärmespeicher (16) führende
Abschnitt (20, 24) der Abgasleitung (12) absperrbar ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abgasleitung (12) eine um eine die
Abgasleitung querende Achse (44) verschwenkbare Dros
selklappe (32) enthält, daß mit der Abgasleitung (12)
in einer diese Achse (44) enthaltenden Querschnitts
ebene der Abgasleitung (12) und in bezug auf diese
Achse (44) einander diametral gegenüberliegend zwei
Zweigleitungen (20, 24) verbunden sind, deren eine
mit der Einmündung (18) in den Wärmespeicher (16) und
deren andere mit der Ausmündung (22) aus dem Wärme
speicher (16) verbunden ist, und daß in der Sperr
stellung die Drosselklappe (32) derart schräg zur
Durchflußrichtung der Abgasleitung (12) verläuft, daß
sie die beiden Zweigleitungen (20, 24) voneinander
trennt.
23. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 3 mit einem Verbrennungsmotor (10) und
einem in dessen Abgasleitung (12) eingefügten Kataly
sator (14), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
Verbrennungsmotor (10) und Katalysator (14) ein Wär
metauscher (50) angeordnet ist, der über einen einen
Wärmeträger enthaltenden Heizkreislauf (52) mit einem
Wärmespeicher (54) verbunden ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder
23, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher
(16) ein durch Abfallwärme des Verbrennungsmotors
(10) ladbarer Wärmespeicher ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Heizkreislauf (52) mit einer
wahlweise zu- oder abschaltbaren Förderpumpe (56)
versehen ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Wärmetauscher (50) höher liegt
als ein im Heizkreislauf (52) angeordneter Aus
gleichsbehälter (58) für den Wärmeträger und daß die
Förderpumpe (56) unterhalb des Ruhepegels im Aus
gleichsbehälter (58) und in Förderrichtung zwischen
Ausgleichsbehälter (58) und Wärmetauscher (50) ange
ordnet ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Wärmetauscher (50) tiefer liegt
als ein im Heizkreislauf (52) angeordneter Aus
gleichsbehälter (58) für den Wärmeträger, daß in
Förderrichtung zwischen dem Ausgleichsbehälter (58)
und dem Wärmetauscher (50) ein Absperrventil (64)
angeordnet ist und daß zwischen dem Wärmetauscher
(50) und dem Ausgleichsbehälter (58) aufeinanderfol
gend die Förderpumpe (56), eine Rückflußsperre (66)
und der Wärmespeicher (54) angeordnet sind.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis
27, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (12)
zwischen Wärmetauscher (50) und Katalysator (14) mit
einem zu- und abschaltbaren Anschluß (58) für Sekun
därluft versehen ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis
28, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil
der dem Abgas zugeordneten Wärmetauscherfläche des
Wärmetauschers (50) mit oxydationskatalytischem
Material beschichtet ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch
gekennzeichnet, daß stromauf vom Wärmetauscher (50)
die Abgasleitung (12) mit einem zu- und abschaltbaren
Anschluß (60) für Sekundärluft versehen ist.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis
29, dadurch gekennzeichnet, daß Einmündung (18) und
Ausmündung (22) an der Unterseite des Wärmespeichers
über eine zur Ausbildung einer wärmeisolierenden
Sperrschicht im Ruhezustand ausreichende vertikale
Länge durch dessen Wärmeisolierung geführt sind.
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