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