DE4025565C2 - Vorrichtung zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Vorrichtung zur Reinigung der Abgase einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung der Abgase einer
Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Mit heutigen Abgasentgiftungsvorrichtungen mit Drei-Wege-Katalysator und
Lamda-Regelung wird bereits ein hoher Konvertierungsgrad erzielt,
gegebenenfalls in Verbindung mit Abgasrückführung bei bestimmten
Lastzuständen der Brennkraftmaschine. Unbefriedigend ist jedoch die
Konvertierung beim Kaltstart, wenn sowohl die Lamdasonde als
insbesondere auch der Katalysator unterhalb deren Ansprechtemperatur
liegen und zudem für den Motorstart und Warmlauf eine Überfettung des
Brennstoff-Luft-Gemisches erforderlich ist.
Durch die gattungsgemäße DE 39 28 760 A1 ist es bekannt, bei einer
Abgastemperatur von z. B. unter 150°C das kalte Abgas über einen mit
Aktivkohle gefüllten Behälter zu leiten, in dem Kohlenwasserstoffe (HC)
adsorbiert werden. Anschließend gelangt das kalte Abgas in üblicher Weise
über den nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator an die Atmosphäre.
Trotz dieses vorgeschalteten Aktivkohlbehälters ist nicht vermeidbar, dass
noch schädliche Abgasbestandteile über das kalte Abgas an die Umwelt
abgegeben werden. Übersteigt die Abgastemperatur die 150°C, so wird
über ein Ventil und eine Umgehungsleitung der Aktivkohlbehälter
kurzgeschlossen bzw. das Abgas an diesem vorbei dem Drei-Wege-
Katalysator zugeleitet. Damit soll vermieden werden, dass durch die heißen
Abgase die Aktivkohle geschädigt wird.
Durch die DE 24 40 723 A1 wird ferner vorgeschlagen, generell die Abgase
nicht an die Atmosphäre abzuführen, sondern in einem oder mehreren
Behältern zu sammeln und diese später an z. B. Tankstellen abzugeben und
stationär entsorgen zu lassen. Gegebenenfalls kann in den Behältern auch
eine "Umwandlung in unschädliche Stoffe" stattfinden; wie das technisch
machbar sein soll, ist der Druckschrift nicht entnehmbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art
aufzuzeigen, mit der der Ausstoß im wesentlichen unkonvertierter
Abgasbestandteile im Kaltfahrbetrieb vermieden ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.
Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, die unmittelbar nach dem
Kaltstart der Brennkraftmaschine aus den Brennräumen entweichenden,
relativ kalten Abgase nicht über die Abgasleitung in die Atmosphäre
auszustoßen, sondern mittels eines Ventils, einer Speicherleitung und einem
separaten Zwischenspeicher das Abgas zwischenzuspeichern. Nach einem
definierten zweiten Zeitraum, in dem die Brennkraftmaschine und die
Abgasentgiftungseinrichtung mehr oder minder ihre Betriebstemperatur
erreicht haben, wird das zwischengespeicherte Abgas entweder dem
Reaktor, z. B. einem Drei-Wege-Katalysator, oder im Zuge einer
Abgasrückführung der Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine zugeführt.
Mit diesen Maßnahmen wird die erste, in der Regel extrem hohe schädliche
Abgasbestandteile aufweisende Abgasmenge nicht an die Atmosphäre
abgegeben. Damit kann insgesamt gesehen eine weitere Reduzierung der
schädlichen Abgasemissionen erreicht werden.
Bevorzugt kann das Abgas vor dem Reaktor abgezweigt werden, wodurch
dieser weniger verunreinigt und länger funktionsfähig bleibt. Das
zwischengespeicherte Abgas kann bevorzugt der Verbrennungsluft
zugeführt und in der Brennkraftmaschine 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 energetisch mitverwertet.
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 Lamda-
Sonde zu beheizen.
Um die anfallenden Abgase im ersten Zeitraum bei einer vernünftigen
Behältergröße des Speicherbehälters (oder mehrerer Speicherbehälter)
speichern zu können, kann ferner das Abgas beispielsweise mittels einer
Verdrängerpumpe komprimiert werden.
Desweiteren kann ein Steuergerät zur Steuerung des ersten und des
zweiten definierten Zeitraumes bzw. der zu betätigenden Ventile vorgesehen
sein, welches die Temperatur der Brennkraftmaschine und/oder den
Abgasdruck im Speicherbehälter verarbeitet und beispielsweise bei
Erreichen eines definierten Abgasdruckes im Speicherbehälter die
Abgasleitung zu der Atmosphäre öffnet und bei Erreichen der
Betriebstemperatur 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 Katalysa
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 (8)
1. Vorrichtung zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine, bei
der die Abgase nach dem Verlassen der Brennräume über
Abgasleitungen einem thermischen oder katalythischen Reaktor
zugeleitet und anschließend an die Atmosphäre abgegeben werden,
wobei bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine über einen definierten
Zeitraum über ein Ventil und eine abzweigende Leitung das relativ kalte
Abgas umgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung eine
zu einem separaten Speicherbehälter (28) führende Speicherleitung (26)
ist, über die das Abgas ohne Abführung an die Atmosphäre
zwischenspeicherbar ist, und dass das Abgas nach einem zweiten
definierten Zeitraum gegebenenfalls über ein zweites Ventil (38) aus
dem Speicherbehälter (28) in den Reaktor (20) und/oder in die
Verbrennungsluftzuführung (12) der Brennkraftmaschine (10)
rückführbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Speicherleitung (26) stromauf des in der Abgasleitung (18)
angeordneten Reaktors (20) abzweigt.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der Speicherbehälter (28) mit dem Verbrennungsluft-
Ansaugverleiter (12) der Brennkraftmaschine (10) über ein
Abgasrückführventil (38) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, dass in die Speicherleitung (26) von der Abgasleitung
(18) zum Speicherbehälter (28) eine Pumpe (34) eingeschaltet ist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch
gekennzeichnet, dass stromauf des Speicherbehälters (28) ein zur
Abgasleitung (18) sperrendes Rückschlagventil (36) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, 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) der ersten und
gegebenenfalls den zweiten definierten Zeitraum bestimmt.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch
gekennzeichnet, dass das Ventil in der Speicherleitung (26) ein
Abgasrückventil (38) ist, welches nach Verstreichen des zweiten
definierten Zeitraumes in bekannter Weise last- und/oder
drehzahlabhängig gesteuert ist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Speicherbehälter (28)
schadstoffabsorbierende Substanzen (z. B. Aktivkohle) angeordnet sind.
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