DE4025565C2 - Vorrichtung zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine

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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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