DE4025565A1 - Verfahren und vorrichtung zur abgasentgiftung von brennkraftmaschinen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur abgasentgiftung von brennkraftmaschinen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasentgiftung von Brenn­ kraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Mit heutigen Abgasentgiftungsvorrichtungen mit Dreiwegekatalysator und Lambda-Regelung wird bereits ein hoher Konvertierungsgrad erzielt, ge­ gebenenfalls in Verbindung mit Abgasrückführung bei bestimmten Lastzu­ ständen der Brennkraftmaschine. Unbefriedigend ist jedoch die Konver­ tierung beim Kaltstart, wenn sowohl die Lambdasonde als insbesondere auch der Katalysator unterhalb deren Ansprechtemperatur liegen und zu­ dem für den Motorstart und Warmlauf eine Überfettung des Brennstoff- Luft-Gemisches erforderlich ist.
Zur Abhilfe wurde bereits vorgeschlagen, den Katalysator und die Lamb­ dasonde einen definierten Zeitraum zu beheizen, sowie durch Luftzufuhr in das Abgassystem die Nachreaktion im Katalysator zu beschleunigen; gegebenenfalls kann auch die Sekundärluft beheizt sein.
Alle diese Maßnahmen können aber nicht verhindern, daß beim Kaltstart in den ersten Sekunden bis zu ca. ein oder mehrerer Minuten (je nach Außentemperatur) überproportional schädliche Abgasemissionen an die Atmosphäre abgegeben werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aufzuzeigen, welche den Ausstoß im wesentlichen unkonvertierter Abgasbestandteile im Kaltfahrbetrieb vermeidet.
Die verfahrensgemäße Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine vorteilhafte Vorrich­ tung zur Durchführung des Verfahrens ist im Patentanspruch 7 angeführt. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.
Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, die unmittelbar nach dem Kalt­ start der Brennkraftmaschine aus den Brennräumen entweichenden "kalten" und durch die noch unvollständige Verbrennung mit Schadstoffen ange­ reicherten Abgase nicht über die Abgasleitung in die Atmosphäre aus­ zustoßen, sondern in einen externen oder internen Speicherbehälter zu leiten. Erst wenn nach einem ersten definierten Zeitraum die Abgase durch Erwärmung der Brennraumwände und der daran unmittelbar an­ schließenden abgasführenden Teile der Brennkraftmaschine (z. B. Zylin­ derkopf, Abgaskrümmer etc.) heißer werden und dadurch nachreagieren, wird umgeschaltet und das Abgas in bekannter Weise entgiftet an die Atmosphäre abgeleitet.
Im Falle eines Kraftfahrzeuges kann der Speicherbehälter zweckmäßig im Bodenbereich oder im Motorraum als separater Behälter angeordnet sein.
Bevorzugt soll gemäß Anspruch 2 das Abgas vor dem Reaktor abgezweigt werden, wodurch dieser weniger verunreinigt und länger funktionsfähig bleibt. Das gespeicherte Abgas wird bevorzugt erst nach einem zweiten definierten Zeitraum an den Reaktor abgegeben, wobei dieser Zeitraum sicherstellen soll, daß der Reaktor seine Ansprechtemperatur (ca. 450°C) oder die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat.
Das gespeicherte Abgas kann entweder stromauf des Reaktors wieder in die Abgasleitung eingeleitet werden und damit nach Erreichen dessen Anspringtemperatur mitentgiftet werden, oder aber es kann bevorzugt gemäß Anspruch 4 der Verbrennungsluft zugeführt und in der Brennkraft­ maschine nochmals verbrannt werden. Es versteht sich, daß dabei eine gesteuerte Zumischung wie bei der Abgasrückführung üblich erfolgen sollte.
Durch das Rückführen des Abgases werden zudem in wirtschaftlicher Weise die noch unverbrannten Brennstoffanteile im Abgas mit verwertet.
Um ein schnelles Ansprechen des Katalysators oder eines thermischen Reaktors zu erreichen, wird ferner vorgeschlagen, zumindest während des ersten definierten Zeitraumes den Reaktor und gegebenenfalls die Lamb­ dasonde zu beheizen.
Um die anfallenden Abgase im ersten definierten Zeitraum bei einer ver­ nünftigen Behältergröße des Speicherbehälters (oder mehrerer Speicher­ behälter) speichern zu können, kann bevorzugt nach Anspruch 6 das Abgas beispielsweise mittels einer Verdrängerpumpe komprimiert werden.
Eine vorteilhafte und baulich einfache Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Patentanspruch 7 angeführt. Dementsprechend zweigt von der Abgasleitung eine Speicherleitung ab, die mit einem Speicherbe­ hälter verbunden ist. In der Abgasleitung und/oder in der Speicherlei­ tung ist ein Ventil angeordnet, welches die Verbindung zur Atmosphäre und/oder zurück zur Abgasleitung steuert. Baulich besonders günstig kann dabei das eine Ventil unmittelbar ein Abgasrückführventil sein, welches somit nicht nur die Entleerung des Speicherbehälters, sondern während des übrigen Betriebsbereiches auch die Abgasrückführung zur Brennkraftmaschine steuert.
Ferner kann ein Steuergerät zur Steuerung des ersten und gegebenenfalls des zweiten definierten Zeitraumes bzw. der diesen Zeitraum bestimmen­ den Ventile vorgesehen sein, welches die Temperatur der Brennkraftma­ schine und/oder den Abgasdruck im Speicherbehälter verarbeitet und bei­ spielsweise bei Erreichen eines definierten Abgasdruckes im Speicherbe­ hälter die Abgasleitung zur Atmosphäre öffnet und bei Erreichen der Be­ triebstemperatur der Brennkraftmaschine die Abgasrückführung einleitet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt eine Brennkraftmaschine mit Abgasentgiftung und mit einem Speicherbehälter für die Abgase.
Mit 10 ist eine fremdgezündete, mehrzylindrige Hubkolben-Brennkraftma­ schine bezeichnet, an die ein Ansaugverteiler 12 mit einer willkürlich steuerbaren Drosselklappe 14 und gegenüberliegendem Abgaskrümmer 16 an­ geschlossen ist. Der Abgaskrümmer 16 als Bestandteil der Abgasleitung der Brennkraftmaschine ist mit einem Abgasvorrohr 18 und einem Drei­ wegekatalysator 20 als Reaktor zur Abgasentgiftung verbunden. Das wei­ tere, in die Atmosphäre mündende, Abgasleitungssystem mit entsprechen­ den Abgasleitungen und Schalldämpfern ist nicht dargestellt.
In das Abgasvorrohr 18 ragt eine Lambdasonde 22 ein, die über eine Lei­ tung 24 mit einem nicht dargestellten Steuergerät zur Modifizierung des Brennstoff-Luftgemisches der Brennkraftmaschine 10 verbunden ist.
Von dem Abgasvorrohr 18 zweigt eine Speicherleitung 26 ab, die mit einem Speicherbehälter 28 verbunden ist. An der Abzweigstelle ist eine schwenkbare Klappe 30 vorgesehen, die elektromagnetisch betätigt ist und die in eine das Abgasvorrohr 18 absperrende Stellung (durchgezogene Linie) oder in eine die Speicherleitung teilweise absperrende Stellung (gestrichelte Linie) schwenkbar ist. Vom Speicherbehälter 28 führt eine weitere Leitung 32 zum Ansaugverteiler 12 der Brennkraftmaschine 10.
In der Speicherleitung 26 ist eine elektrisch angetriebene Verdränger­ pumpe 34 und ein zum Abgasvorrohr 18 hin sperrendes Rückschlagventil 36 vorgesehen. Ferner ist in die Leitung 32 ein Abgasrückführventil 38 eingeschaltet.
Der Katalysator 20 sowie die Lambdasonde 22 sind mit je einer nicht näher dargestellten elektrischen Widerstandsheizung ausgerüstet, die über die Leitungen 42, 44 mit Spannung beaufschlagbar sind. Ferner wer­ den das elektromagnetische Stellglied der Klappe 30 über eine Leitung 46 und das Abgasrückführventil 38 über eine weitere Leitung 48 ange­ steuert.
Die besagten Leitungen sind mit einem Steuergerät 40 verbunden, in welches neben den üblichen Versorgungsleitungen die Temperatur T der Brennkraftmaschine, die Drehzahl n der Brennkraftmaschine und ein Lastsignal α sowie über einen Drucksensor 50 und eine Leitung 52 der Druck P im Speicherbehälter 28 eingegeben werden. Die eingegebenen Signale werden im Steuergerät 40 wie folgt verarbeitet: Beim Einschalten der Zündung der Brennkraftmaschine wird die Temperatur T erfaßt und bestimmt, ob ein Kaltstart vorliegt. Der Grenzwert kann beispielsweise bei 20°C liegen. Liegt die Temperatur T unter diesem Schwellwert, so wird der erste definierte Zeitraum errechnet, innerhalb dem die Klappe 30 in der in einer ununterbrochenen Linie dargestellten Stellung über das elektromagnetische Stellglied gehalten werden soll.
Mit dem Startvorgang der Brennkraftmaschine 10 wird dann das elektro­ magnetische Stellglied der Klappe 30 angesteuert und zugleich die elek­ trisch angetriebene Verdrängerpumpe 34 in Betrieb gesetzt. Ferner wer­ den über die Leitungen 42 und 44 die Widerstandsheizungen im Kalalysa­ tor 20 und in der Lambdasonde 22 mit Spannung versorgt. Es wird somit mit dem Starten der Brennkraftmaschine das aus den Brennräumen austre­ tende Abgas über den Abgaskrümmer 16, teilweise über das Abgasvorrohr 18 und die Speicherleitung 26 in den Speicherbehälter 28 geleitet. Das Abgas wird dabei über die Verdrängerpumpe 34 komprimiert, um die Kapa­ zität des Speicherbehälters 28 entsprechend anzuheben.
Nach dem Verstreichen des ersten definierten Zeitraumes oder beim Er­ reichen eines vorgegebenen Überdruckes im Speicherbehälter 28 wird von dem Stellgerät 40 die Verdrängerpumpe 34 stillgesetzt und die Klappe 30 in die gestrichelt eingezeichnete Ruhestellung verschwenkt (das Ver­ schwenken kann mittels einer Rückzugfeder bewerkstelligt werden, welche das spannungslose Stellglied in die Ruhestellung zurückstellt). Dadurch wird das nunmehr bereits heißere Abgas dem noch beheizten Katalysator 20 zugeleitet und in diesem mit bereits relativ gutem Wirkungsgrad kon­ vertiert. Die Beheizung der Lambdasonde 22 und des Katalysators 20 kann entweder nach einen berechneten Zeitraum oder über eine nicht darge­ stellte Temperaturüberwachung bis zu deren Ansprechtemperaturen er­ folgen.
Wird die Betriebstemperatur T der Brennkraftmaschine 10 erreicht, so wird über das Steuergerät 40 nunmehr das Abgasrückführventil 38 ange­ steuert und in einer definierten Menge das in dem Speicherbehälter 28 befindliche Abgas über die Leitung 32 der Brennkraftmaschine 10 zur Nachverbrennung zugeführt. Die Zuführung erfolgt dabei in bekannter Weise abhängig von der Last α und der Drehzahl n der Brennkraftmaschine 10. Um über die gesamten Betriebsdauer der Brennkraftmaschine 10 eine Abgasrückführung sicherzustellen, kann zeitweilig die elektrische Ver­ drängerpumpe 34 zugeschaltet werden, die dann aus dem Abgasvorrohr 18 über die nicht vollständig die Speicherleitung 26 abschließende Klappe 30 Abgas in den Speicherbehälter 28 nachfördert.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel be­ schränkt. Beispielsweise kann die Verdrängerpumpe 34 nicht elektrisch, sondern unmittelbar von der Brennkraftmaschine 10 angetrieben sein. Das in dem Speicherbehälter 28 gespeicherte Abgas kann über die Speicher­ leitung 26 auch wieder zurückgeführt werden, wenn die Klappe 30 so aus­ gebildet ist, daß in einer dritten Stellung sowohl die Speicherleitung 26 als auch das Abgasvorrohr 18 freigeschaltet sind.
Anstelle eines Speicherbehälters 28 können auch mehrere Speicherbehäl­ ter vorgesehen sein. Ggf. können in dem Speicherbehälter auch schad­ stoffadsorbierende Substanzen, z. B. Aktivkohle angeordnet sein. Ferner können vorhandene, Hohlräume bildende Teile als Speicherbehälter ver­ wendet werden, z. B. der Motorraum oder entsprechende Karosserie- oder Aufbauteile (Rahmenholme etc.).

Claims (14)

1. Verfahren zur Abgasentgiftung von Brennkraftmaschinen, bei der die Abgase nach dem Verlassen der Brennräume einer Nachreaktion (ther­ mischer oder katalytischer Reaktor) unterzogen werden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine die Abgase über einen ersten definierten Zeitraum gespeichert und dann mit den weiteren Abgasen entgiftet an die Atmosphäre abgegeben werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamten Abgase stromauf des Reaktors (20) abgezweigt und in zumindest einen Speicherbehälter (28) umgeleitet werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase nach einem zweiten definierten Zeitraum vom Speicherbe­ hälter (28) zum Reaktor (20) geleitet werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase aus dem Speicherbehälter (28) nach einem zweiten defi­ nierten Zeitraum der Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine zuge­ mischt werden (Abgasrückführung).
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (20) zumindest über den ersten definierten Zeitraum beheizt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherten Abgase in den Speicherbehäl­ ter (28) komprimiert werden.
7. Vorrichtung zur Abgasentgiftung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß von der in die Atmosphäre mündenden Abgasleitung (16, 18, 20) der Brennkraftmaschine (10) eine Speicherleitung (26) abzweigt, die mit einem Speicherbehälter (28) verbunden ist, wobei in der Abgasleitung (18) und/oder in der Speicherleitung (26) ein Ventil (30,38) angeordnet ist, welches die Verbindung zur Atmosphä­ re und/oder aus dem Speicherbehälter (28) steuert.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spei­ cherleitung (26) stromauf des in der Abgasleitung (18) angeordneten Reaktors (20) abzweigt.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (28) mit dem Verbrennungsluft-Ansaugver­ leiter (12) der Brennkraftmaschine (10) über ein Abgasrückführven­ til (38) verbunden ist.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß in die Speicherleitung (26) von der Abgasleitung (18) zum Speicher­ behälter (28) eine Pumpe (34) eingeschaltet ist.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf des Speicherbehälters (28) ein zur Ab­ gasleitung (18) sperrendes Rückschlagventil (36) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (30, 38) und/oder die Pumpe (34) über ein Steuergerät (40) angesteuert sind, wobei das Steuergerät (40) zumindest abhängig von der Temperatur T der Brennkraftmaschine und/oder vom Abgasdruck P im Speicherbehälter (28) den ersten und gegebenenfalls den zweiten definierten Zeitraum bestimmt.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil in der Speicherleitung (26) ein Ab­ gasrückführventil (38) ist, welches nach Verstreichen des zweiten definierten Zeitraumes in bekannter Weise last- und/oder drehzah­ labhängig gesteuert ist.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Speicherbehälter (28) schadstoffab­ sorbierende Substanzen (z. B. Aktivkohle) angeordnet sind.
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