DE4106249A1 - Einrichtung zur katalytischen reinigung der abgase einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die wirkungsvollste Abgasreinigungsmaßnahme bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ist der geregelte Dreiwege-Katalysator. In ihm treten gleichzeitig oxidierende und reduzierende Reaktio­ nen mit verschiedenen Abgasbestandteilen auf. Seine Wirksamkeit bzw. sein Wirkungsgrad wird durch den Konvertierungsgrad angege­ ben, der in Prozenten wiedergibt, in welchem Umfang die angeführ­ ten chemischen Reaktionen im Katalysator tatsächlich ablaufen. Dieser Konvertierungsgrad ist temperaturabhängig; damit der Katalysator seine volle Wirkung erreicht, muß eine auch als Anspringtemperatur bezeichnete Mindesttemperatur überschritten sein. Diese demgemäß entscheidend wichtige Temperatur steigt mit Alterung des Katalysators an; gleichzeitig verschlechtert sich der maximal erreichbare Konvertierungsgrad.

Während demgemäß dafür gesorgt werden muß, daß die definierte Mindesttemperatur im Betrieb der Brennkraftmaschine möglichst schnell auch nach einem Kaltstart erreicht wird, muß andererseits auch für eine Begrenzung der Temperatur nach oben gesorgt werden, da zu hohe Temperaturen überproportional den Alterungsvorgang des Katalysators beschleunigen. Um für eine lange Lebensdauer einen hohen Konvertierungsgrad des Katalysators sicherzustellen, muß er demgemäß in einem mit zunehmender Betriebszeit immer enger werdenden Temperaturbereich, gegeben durch eine im wesent­ lichen konstante obere Grenztemperatur und die mit der Zeit ansteigende Mindesttemperatur, betrieben werden.

Nun treten aber während des normalen Betriebs einer Brennkraft­ maschine, insbesondere einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, große Schwankungen der Abgastemperatur und damit letztlich der Katalysatortemperatur auf, die zumindest in bestimmten Betriebsweisen der Brennkraftmaschine den optimalen Katalysatorbetrieb verhindern.

Die aus der gattungbildenden DE-OS 23 22 057 bekannte Vorrichtung zum katalytischen Nachverbrennen von Abgasen einer mehrzylindri­ gen Brennkraftmaschine trägt dem niedrigen Wärmeinhalt der Abgase unmittelbar nach einem Kaltstart dadurch Rechnung, daß jeder der beiden Zylinderbänke abgasseitig ein individueller Katalysator zugeordnet ist und in Abhängigkeit von Signalen von Abgastemperaturfühlern bis zum Erreichen einer bestimmten Abgastemperatur die Abgase beider Zylinderbänke nur über einen Katalysator geführt werden, so daß sich dieser relativ schnell erwärmt; erst nach Erreichen einer vorgegebenen Mindesttemperatur wird auch der zweite Katalysator in den Abgasstrom eingeschaltet. Dieses Prinzip hat jedoch den Nachteil, daß der zweite Katalysa­ tor im Augenblick seines Zuschaltens noch nicht erwärmt worden ist, er also dann durch die - allerdings nunmehr heißen - Abgase erst auf seine Anspringtemperatur erhitzt werden muß, so daß die Abgase ihn für eine kurze Zeitspanne ungereinigt verlassen. Außerdem muß der nach dem Kaltstart sofort mit Abgas beauf­ schlagte erste Katalysator so groß ausgelegt sein, daß er die Abgase aller Brennräume der Maschine verarbeiten kann, da er ja eine Zeitlang allein in die Abgasströmung eingeschaltet ist.

Immerhin berücksichtigt diese bekannte Vorrichtung mit zylinder­ bank- oder zylindergruppenindividuellen Abgaskatalysatoren die sich beim Kaltstart einstellenden Temperaturverhältnisse, während andere Vorrichtungen mit zylinderbankindividuellen Katalysatoren und in Strömungsrichtung vor diesen liegenden Strömungsverbindungen einen Druckausgleich vor den Katalysatoren (DE-OS 26 13 607) bzw. eine Vergleichmäßigung der Abgaszusammen­ setzungen vor beiden Katalysatoren (DE-OS 37 40 238) schaffen sollen, ohne hierbei speziellen Temperaturverhältnissen Rechnung zu tragen.

Die DE-AS 14 51 881 beschreibt eine Vorrichtung zum katalytischen Nachverbrennen von Abgasen einer Brennkraftmaschine, bei der nach einem Kaltstart zwei in Reihe geschaltete Katalysatoren von den Abgasen aller Brennräume beaufschlagt werden. Nach Erwärmung der Abgase wird durch Freigabe eines Bypasses der den Brennräumen näherliegende und sich demgemäß schneller erwär­ mende, kleinere Katalysator aus der Abgasströmung ausgeschaltet und lediglich der den Brennräumen fernerlegende, größere Kataly­ sator zur Abgasreinigung verwendet. Diese bekannte Vorrichtung verhält sich in zweierlei Hinsicht günstig bezüglich einer schnellen Abgasreinigung nach einem Kaltstart: Zum einen erwärmen die Abgase den brennraumnahen, kleineren Katalysator relativ schnell, und zum anderen erfolgt gleichzeitig durch die diesen verlassenden heißen Abgase eine Aufheizung des zweiten, größeren Katalysators, die durch wärmeisolierende Umhüllungen noch be­ schleunigt werden kann. Dennoch ist die Zeitspanne bis zu einer ausreichenden Abgasreinigung relativ groß, und außerdem trägt diese bekannte Vorrichtung dem Erfordernis der Begrenzung der Katalysatortemperatur zwecks Verlängerung der Lebensdauer nicht Rechnung. Sie bietet nämlich keine Möglichkeit zur Begrenzung der Temperatur der Katalysatoren; insbesondere dann, wenn zwecks schneller Aufheizung der Katalysatoren diese und Verbindungslei­ tungen zwischen ihnen wärmeisoliert ausgebildet sind, geht dies zu Lasten einer schnellen Alterung der Katalysatoren.

Einseitig, und zwar ausschließlich ausgerichtet auf die Vermei­ dung einer Überhitzung der Katalysatoren, ist das Verfahren nach der DE-OS 34 06 968, gemäß dem zur Sicherstellung einer optimalen Betriebstemperatur für einen Abgaskatalysator das Abgas vor diesem in zwei Teilströme geteilt werden, von denen einer gekühlt und der andere nicht gekühlt wird; die Teilströme werden vor dem Katalysator unter Einhaltung eines temperaturgege­ benen Mengenverhältnisses wieder vereinigt. Zwar wird dann im Falle eines Kaltstarts der Katalysator ausschließlich mit dem "warmen" Abgasteilstrom beaufschlagt, nur ist dieser eben im Falle eines Kaltstarts noch nicht warm.

Nicht viel anders ist die Anordnung zur Abgasführung nach der DE-OS 23 03 773 zu beurteilen: Hier erfolgt die Zuführung des Abgases zu einem einzigen Katalysator entweder über eine ther­ misch isolierte Abgasleitung oder über eine Kühlschlange, die dem Fahrtwind ausgeliefert ist oder in der Luftströmung eines Gebläses liegt. Eine Beschleunigung der Aufheizung des Kataly­ sators auf seine Mindesttemperatur bei einem Kaltstart ist allenfalls durch die Wärmeisolierung des Abgasrohres gegeben.

Eine diesbezüglich aktivere Lösung beschreibt die DE-OS 20 62 500. Hier passieren die Abgase vor ihrem Eintritt in den Katalysator eine elektrische Heizung, die vor, während und/oder nach Starten der Brennkraftmaschine betätigt wird. Diese Vorrichtung benötigt relativ viel Energie für die Heizeinrichtung, da diese allein für die Beschleunigung des Aufheizens des einzigen Katalysators ausgelegt sein muß; außerdem berücksichtigt dieser Stand der Technik nicht die Notwendigkeit der Begrenzung der Katalysator­ temperatur.

Von einem ganz anderen Ansatz geht schließlich die Einrichtung nach der DE-OS 22 10 031 aus. Bei einem Kaltstart und dem dann zunächst üblichen Vorliegen des Leerlaufbetriebs der Brennkraft­ maschine erfolgt eine Verstellung des Zündzeitpunkts in Richtung spät sowie zwecks großer Kraftstoffzufuhr zur Maschine die volle Öffnung der Drosselklappe im Ansaugsystem derselben. Zwar nimmt durch die zunehmende Spätzündung des den Brennräumen der Maschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs die von der Brennkraftmaschine abgegebene Leistung ab, jedoch spielt dies keine Rolle, solange die für die Aufrechterhaltung des Leerlauf­ betriebs erforderliche Erzeugung der Reibleistung der Maschine gewährleistet ist. Entscheidend ist, daß mit zunehmender Spätzün­ dung die Temperatur der Abgase der Maschine ansteigt und die durch die Verbrennung frei werdende Energie in zunehmendem Maße in Abgaswärme umgewandelt wird. Ein besonderer Vorteil dieser bekannten Einrichtung ist also darin zu sehen, daß die Beschleunigung der Aufheizung des Katalysators nicht durch Fremdenergie, in einem Kraftfahrzeug also durch die in der Bordbatterie gespeicherte elektrische Energie, sondern allein durch Beeinflussung von Betriebsgrößen (Zündzeitpunkt, Drossel­ klappenstellung) der Brennkraftmaschine unter sinnvoller Ausnut­ zung der ohnehin vorliegenden Betriebsphasen der Maschine er­ folgt. Sobald von der Maschine Last abgefordert wird, erfolgt selbsttätig eine Rückschaltung der Betriebsparameter derselben auf ihre Werte im normalen Betrieb, insbesondere Fahrbetrieb, d. h. eine Verstellung des Zündzeitpunkts in Richtung früher und eine Verringerung der Öffnung der Drosselklappe entsprechend der Lastanforderung. Nicht berücksichtigt ist bei diesem Stand der Technik die Forderung nach Begrenzung der Katalysatortempe­ ratur, und auch die Aufheizung des Katalysators nach einem Kaltstart ist schon infolge Verwendung eines einzigen und demge­ mäß relativ großen Katalysators noch nicht optimiert.

Wie dieser Überblick über den Stand der Technik auf dem Gebiet des Betreibens von Abgaskatalysatoren anschaulich zeigt, ist der Fachwelt die "doppelte" Problematik - schnelles Aufheizen des Katalysators, aber Begrenzung der Katalysatortemperatur - seit Jahrzehnten bekannt; es hat auch nicht an Lösungsversuchen gefehlt, jedoch beziehen diese sich jeweils im wesentlichen auf einen der beiden Problempunkte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Einrichtung so auszubilden, daß einerseits nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine die Warmlaufzeit, also die Zeit bis zum Erreichen der Anspringtemperatur der Katalysatoranordnung, erheblich verkürzt ist, andererseits die Temperatur der Kataly­ satoranordnung nach Erreichen des Mindestwerts im wesentlichen konstant gehalten wird; weiterhin soll die erfindungsgemäße Einrichtung die Möglichkeit bieten, das Ansteigen der Anspring­ temperatur mit zunehmender Alterung der Katalysatoranordnung zu berücksichtigen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Ausbil­ dungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Die Erfindung greift also auch auf aus dem eingangs behandelten Stand der Technik bekannte Maßnahmen zurück, kombiniert diese jedoch in sinnvoller Weise so, daß alle in der definierten Aufgabe enthaltenen Teilaufgaben mit minimaler Fremdenergiezufuhr und bei minimaler Baugröße der Katalysatoranordnungen gelöst werden. So ermöglicht die erfindungsgemäße Einrichtung folgenden Ablauf des Betriebs von Brennkraftmaschine nebst Katalysatoran­ ordnungen, ausgehend vom Kaltstart:.

Beispielsweise bei Betätigen des Zündschlüssels erfolgt zunächst das Schließen eines Stromkreises für die elektrische Heizung, so daß eine Vorheizung der Abgasleitung vor der ersten Katalysa­ toranordnung nebst den in diesem Bereich der Abgasleitung enthal­ tenen Gasen erfolgt. Die Existenz dieser elektrischen Heizung trägt der Tatsache Rechnung, daß während des eigentlichen Start­ vorgangs der Brennkraftmaschine das Zuführen eines für den Start optimalen Gemisch und die Einstellung eines für den Start optimalen Zündzeitpunkts Priorität haben, noch nicht aber die Abgaszusammensetzung. Selbstverständlich wird man dafür sorgen, daß die Heizung nur dann eingeschaltet wird, wenn dadurch das Erreichen einer Startdrehzahl durch den Anlasser nicht verhindert wird.

Sobald der Hochlauf der Maschine beendet, also die Leerlaufdreh­ zahl derselben erreicht ist, werden die Prioritäten anders gesetzt: Voraussetzung ist selbstverständlich, daß die Leerlauf­ drehzahl stabil ist, die Betriebsparameter der Maschine also nicht so eingestellt werden, daß dieser Wert unterschritten wird. Die Überwachung der Stabilität der Leerlaufdrehzahl kann in an sich bekannter Weise über die Laufruhe bzw. Laufunruhe der Maschine erfolgen. Von dieser Grundvoraussetzung ausgehend erfolgt nun die Einstellung eines später liegenden Zündzeitpunkts zur schnellen Erzielung eines hohen Konvertierungsgrads der ersten Abgaskatalysatoranordnung. Wenn hier von "Katalysator­ anordnung" gesprochen wird, soll dadurch zum Ausdruck gebracht werden, daß in jeder der beiden Abgasleitungen mehrere Kataly­ satoren angeordnet sein können, die zusammengefaßt als "Anord­ nung" bezeichnet werden. Nach Erreichen der Leerlaufdrehzahl erfolgt also eine Zurücknahme des Zündzeitpunkts und ggf. eine Sekundärluftzufuhr zur ersten Katalysatoranordnung, so daß infolge noch eingeschalteter elektrischer Heizung im Bereich derselben Oxidationsvorgänge, die eine Vorheizung der der ersten Katalysatoranordnung zuzuführenden Abgase bewirken, und infolge des Luftüberschusses eine oxidierende Arbeitsweise der ersten Katalysatoranordnung hervorgerufen werden, wodurch eine weitere Beschleunigung der Aufheizung der aus dieser austretenden Abgase erreicht werden. Dies wiederum führt zu einer Beschleunigung der Aufheizung der zweiten Katalysatoranordnung, die in Reihe mit der ersten geschaltet ist.

Die zweite Katalysatoranordnung ist - in Abweichung von der Lage der ersten Katalysatoranordnung - so weit entfernt von den wärmeerzeugenden Brennräumen der Brennkraftmaschine angeord­ net, daß auch unter ungünstigsten Betriebsbedingungen (Vollast bei hohen Umgebungstemperaturen) eine Überhitzung der Katalysa­ toranordnung ausgeschlossen ist.

Sobald der Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine verlassen, also dieser Leistung abverlangt wird, erfolgt verständlicherweise wiederum eine Änderung der Prioritäten: Die Drehzahlstabilität der Maschine fällt nunmehr weg, und im Vordergrund steht eine solche Wahl der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, daß ein optimaler Kraftstoffverbrauch erreicht wird. Dies bedeutet, ausgehend von den Verhältnissen bei Leerlauf, eine Vorverlegung des Zündzeitpunkts. Da nunmehr die Abgaskatalysatoren ihre Anspringtemperatur erreicht haben, ist die elektrische Heizung abgeschaltet, und durch Überwachung von Temperaturen insbesondere im Bereich der ersten Katalysatoranordnung wird sichergestellt, daß eine Überhitzung vermieden ist. Zu diesem Zweck wird die Abgaskühlleitung freigegeben, die, wie in Unteransprüchen ausge­ führt, parallel zur elektrischen Heizung beispielsweise im Fahrtwind oder in der Luftströmung eines temperaturabhängig einschaltbaren Gebläses angeordnet sein kann. Diese Kühlleitung wird man also mit schlechter Wärmeisolation gegen die Umgebung ausführen.

Alle temperaturgesteuerten Schaltvorgänge sowohl im Bereich der Brennkraftmaschine (Zündzeitpunkt, Drosselklappenstellung) als auch im Bereich der Abgasanlage (Heizung, Abgaskühlleitung) werden durch einen von Signalen von Temperaturfühlern beauf­ schlagten Mikroprozessor gesteuert, wie er in Kraftfahrzeugen zum Motormanagement ohnehin Einsatz findet, so daß Einzelheiten über ihn nicht mitgeteilt zu werden brauchen. In ihm ist auch die Katalysator-Anspringtemperatur über der Zeit gespeichert.

Die Erfindung gestattet mithin nicht nur eine Beschleunigung der Abgasreinigung vorzunehmen, sondern auch während sich an den Kaltstart anschließender Betriebsphasen der Brennkraftma­ schine optimale Verhältnisse für die Abgasreinigung zu schaffen. So kann beispielsweise die Sekundärluftzufuhr immer dann einge­ schaltet werden, wenn CO- und HC-Komponenten im Abgas vorhanden sind, also außer im Kaltstart auch bei einer Luftzahl kleiner als 1 und im Schubbetrieb der Maschine.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, die unter Verzicht auf die Wiedergabe des üblichen und daher bekannten Aufbaus der Brennkraftmaschine nur die im Rahmen der Erfindung interessierenden Vorrichtungen und Einrichtungen zeigt.

Die Brennräume der allgemein bei 1 angedeuteten Brennkraftma­ schine sind zu zwei Gruppen, von denen jede die Brennräume einer Zylinderreihe oder -bank umfassen kann, aber nicht muß, zusammengefaßt, die abgasseitig mit den beiden Abgasleitun­ gen 2 und 3 strömungsmäßig verbunden sind. In jeder der beiden Abgasleitungen ist eine Katalysatoranordnung 4 bzw. 5 angeordnet. Auch diese Katalysatoranordnungen haben einen an sich bekannten Aufbau; es handelt sich um Dreiwege-Katalysatoren. Wie bereits aus der Zeichnung ersichtlich, ist die zweite Katalysatoranord­ nung 5 relativ weit von der im Betrieb heißen Brennkraftma­ schine 1 entfernt angeordnet, also der in Strömungsrichtung vor ihr liegende Bereich der Abgasleitung 3 relativ groß, so daß sichergestellt ist, daß die Katalysatoranordnung 5 auch während extremer Betriebsphasen der Brennkraftmaschine (Bergfahrt im Hochsommer) nicht über ihre obere Grenztemperatur erhitzt wird. In Strömungsrichtung vor der zweiten Katalysatoranord­ nung 5 erkennt man das erste Ventil 6, das in Abhängigkeit von im Mikroprozessor 7 erzeugten Signalen geöffnet oder geschlos­ sen wird.

Ein zweites Ventil 8 liegt in der ersten Abgasleitung 2 in Strö­ mungsrichtung hinter der ersten Katalysatoranordnung 4 sowie hinter der zweiten Strömungsverbindung 9 zwischen den beiden Abgasleitungen 2 und 3, die ebenso wie die in Strömungsrichtung vor beiden Katalysatoranordnungen 4 und 5 angeordnete erste Strömungsverbindung 10 mit einer Wärmeisolation 11 versehen ist.

Zwischen der ersten Strömungsverbindung 10 einerseits und der ersten Katalysatoranordnung 4 andererseits erkennt man bei 12 eine elektrische Heizung, die den Bereich 13 der ersten Abgas­ leitung 2 umgibt und so ausgelegt ist, daß sie bei Einschaltung eine rasche Aufheizung dieses Leitungsbereichs 13 einschließlich der in ihm enthaltenen Gase bewirkt.

Parallel zu der Heizung 12 liegt die Abgaskühlleitung 14 mit dem ihr zugeordneten Ventil 15, das, übrigens entsprechend der Anordnung des ersten Ventils 6, nahe dem Eingang der zugeord­ neten Katalysatoranordnung angeordnet ist, so daß sich in Strö­ mungsrichtung vor den Ventilen 6 und 15 gleichsam Speicherräume für während der ersten Arbeitstakte der Brennkraftmaschine 1 bei einem Kaltstart emittiertes Abgas ergeben.

Die Abgaskühlleitung 14 liegt bei einer ein Kraftfahrzeug antrei­ benden Brennkraftmaschine zweckmäßigerweise im Fahrtwind; in dem gezeichneten Ausführungsbeispiel ist ihr das ebenfalls temperaturabhängig vom Mikroprozessor 7 her gesteuerte Kühlluft­ gebläse 16 zugeordnet.

Mittels des Ventils 17 schließlich ist die Sekundärluftzufuhr 18 steuerbar, die in diesem Ausführungsbeispiel in beide Abgaslei­ tungen 2 und 3 einmündet. Im Bereich der ersten Abgasleitung 2 ragt die Einmündung der Sekundärluftzufuhr 18 relativ weit in Richtung auf die Katalysatoranordnung 4, damit die Sekundär­ luftzufuhr möglichst umfassend direkt in den beheizbaren Lei­ tungsbereich 13 erfolgt, wo durch Oxidation bei eingeschalteter Heizung 12 eine Erwärmung der Abgase bereits vor ihrem Eintritt in die erste Katalysatoranordnung 4 erfolgen soll.

Wie bereits ausgeführt, arbeitet der Mikroprozessor 7 in Abhän­ gigkeit von Temperatursignalen, die in Temperatursensoren 19 und 20 bzw. 21 und 22 erzeugt sind, die in den beiden Katalysa­ toranordnungen 4 und 5 teils eingangsseitig, teils ausgangssei­ tig vorgesehen sind und berücksichtigt das Katalysator-Alterungs­ verhalten.

Berücksichtigt man schließlich, daß der Mikroprozessor 7 in Abhängigkeit von diesen Temperatursignalen auch Ansteuerungs­ signale für die allgemein bei 23 angedeutete Zündeinrichtung der Brennkraftmaschine 1 liefert, ergibt sich folgende Betriebsweise: Bei Kaltstart wird in Abhängigkeit von den ermittelten Tempera­ turwerten beispielsweise bei Betätigung eines Zündschlüssels in Richtung Starten der Brennkraftmaschine 1 die elektrische Heizung 12 eingeschaltet, die im Hinblick auf eine schnelle Aufheizung des Bereichs 13 der ersten Abgasleitung 2 nebst Gasinhalt dieses Bereichs ausgelegt ist. Durch die beschriebene Lage der Ventile 6 und 15 relativ nahe an den Eingängen der beiden Katalysatoranordnungen 4 und 5 wird zumindest ein großer Teil der während der ersten Arbeitstakte der Brennkraftmaschine 1 emittierten Abgase gleichsam gespeichert, bis die während des Kaltstarts geschlossenen (d. h. in Absperrstellung befindlichen) Ventile 6 und 15 geöffnet werden. Während des Kaltstartvorgangs wird die der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoffmenge so bemessen, daß sich die Luftzahl kleiner als 1 einstellt, außerdem wird ein für den Startvorgang optimaler, relativ früher Zündzeitpunkt eingestellt. Die Zeitspanne bis zum Erreichen der Leerlaufdrehzahl, d. h. während des Hochlaufs der Maschine, wird für die Aufheizung der der ersten Katalysatoranordnung 4 zuzuführenden Abgase durch den Betrieb der elektrischen Hei­ zung 12 gleichsam überbrückt.

Sobald die Maschine 1 die Leerlaufdrehzahl erreicht hat, werden ihre Betriebsparameter - selbstverständlich unter Überwachung der Stabilität der Leerlaufdrehzahl - so verändert, daß ein hoher Konvertierungsgrad der Katalysatoranordnungen 4 und 5 im Vordergrund steht. Dazu wird durch entsprechende Signale des Mikroprozessors 7 zur Zündeinrichtung 23 der Maschine 1 der Zündzeitpunkt zurückgenommen, so daß zwar der Maschine keine Leistung abverlangt werden kann (echter Leerlaufbetrieb), aber die Maschine heiße Abgase emittiert, deren CO- und HC-Kom­ ponenten in dem beheizten Leitungsbereich 13 oxidiert werden, wodurch eine weitere Erhitzung der der ersten Katalysatoranord­ nung 4 zuzuführenden Abgase auftritt. Auch in der Katalysatoran­ ordnung 4 macht sich der Luftüberschuß infolge der Sekundärluft­ zufuhr 18 hinsichtlich einer Oxidation der Abgasbestandteile bemerkbar, so daß die infolge geschlossenen Zustands des zweiten Ventils 8 über die zweite Strömungsverbindung 9 der zweiten Katalysatoranordnung 5 zugeführten Abgase eine hohe Temperatur besitzen und diese Katalysatoranordnung schnell aufheizen.

Sofern die Brennkraftmaschine längere Zeit im Leerlauf betrieben wird, arbeitet insbesondere der Mikroprozessor 7 so, daß nach Erreichen der Anspringtemperatur in beiden Katalysatoranordnungen 4 und 5 die Priorität der Steuerung bzw. Regelung auf niedrigen Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine gesetzt wird. Selbst­ verständlich wird nach Erreichen der Anspringtemperatur zumindest der ersten Katalysatoranordnung 4 die elektrische Heizung 12 abgeschaltet, und zur Erzielung verbrauchsoptimalen Betriebs der Brennkraftmaschine, sei es bei längerem Leerlaufbetrieb, sei es bei Lastforderung, erfolgt eine entsprechende Vorverlegung des Zündzeitpunkts. Die Sekundärluftzufuhr 18 wird durch Betäti­ gen des ihr zugeordneten Ventils 17 abgeschaltet; sie kann jedoch im Schubbetrieb oder immer dann, wenn CO- und HC-Komponen­ ten im Abgas vorhanden sind, wieder eingeschaltet werden.

Eine Überhitzung der zweiten Katalysatoranordnung 5 ist in aller Regel schon dadurch vermieden, daß sie relativ weit ent­ fernt von den wärmeerzeugenden Brennräumen der Brennkraftma­ schine 1 angeordnet ist. Im übrigen wird eine Überhitzung insbe­ sondere der ersten Katalysatoranordnung 4 durch Einschalten der Abgaskühlleitung 14 durch entsprechende Betätigung des Ventils 15 verhindert. Ventil 15 kann temperaturabhängig, aber auch lastabhängig öffnen, damit eine schnelle Kühlwirkung und große Strömungsquerschnitte bei plötzlichen Vergrößerungen der Lastanforderung sichergestellt werden. Sobald dieses Ventil durchgeschaltet wird, gelangen die in der - einen größeren Querschnitt als der Leitungsbereich 13 besitzenden - Kühllei­ tung 14 "gespeicherten" kühlen Abgase in die Katalysatoranord­ nung 4; infolge der Querschnittsverhältnisse kommen auch die neu emittierten Abgase erst nach Kühlung in der Leitung 14 in die Katalysatoranordnung 4.

Verständlicherweise ist jetzt auch das erste Ventil 6 geöffnet, so daß die zweite Katalysatoranordnung 5 direkt über den in Strömungsrichtung vor ihr liegenden Bereich der zweiten Abgaslei­ tung 3 mit Abgas aus den ihr zugeordneten Brennräumen beauf­ schlagt wird.

Die zweite Strömungsverbindung 9 wird durch Öffnen des zweiten Ventils 8 weitgehend wirkungslos gemacht, so daß jetzt jede der beiden Katalysatoranordnungen 4 und 5, von denen die erste gleichsam auch als "Startkatalysator" zu bezeichnen ist, wirksam sind.

Wie auch diese Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zeigt, liegen im kalten Zustand beide Katalysatoren in Reihe mit den Abgasausgängen aller Brennräume, während nach Erreichen der Anspringtemperatur jede der beiden Katalysatoranordnungen nur mit den Abgasen der ihr zugeordneten Brennraumgruppe beaufschlagt ist. Das bedeutet, daß die einzelnen Katalysatoranordnungen nicht im Hinblick auf die Verarbeitung der gesamten, von der Maschine maximal emittierten Abgasmenge bemessen sein müssen.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine gattungsgemäße Einrichtung geschaffen, die bei minixalem Aufwand insbesondere an Fremdener­ gie eine optimale Betriebsweise der Abgasreinigungseinrichtung einer Brennkraftmaschine sicherstellt.

Claims (14)

1. Einrichtung zur katalytischen Reinigung der Abgase einer mehrere Brennräume aufweisenden Brennkraftmaschine, insbeson­ dere der Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit zwei zumindest je einem Brennraum zugeordneten, mit Katalysatoran­ ordnungen bestückten Abgasleitungen, zwischen denen sich in Abgasströmungsrichtung vor den Katalysatoranordnungen eine erste Strömungsverbindung erstreckt und denen in Abhän­ gigkeit von Temperaturen im Bereich zumindest einer der Katalysatoranordnungen betätigte Ventile zur Änderung der Abgasbeaufschlagung der Katalysatoranordnungen zugeord­ net sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste (8) der beiden Abgasleitungen (2, 3) in Strömungsrichtung zwischen der in ihr brennraumnah liegenden ersten Katalysatoranord­ nung (4) und der ersten Strömungsverbindung (10) mit einer elektrischen Heizung (12) zur Aufheizung kalter Abgase auf eine zur Oxidation von Abgasbestandteilen geeignete Temperatur sowie mit einer Abgaskühlleitung (14) versehen ist, daß ferner die in der zweiten Abgasleitung (3) liegende zweite Katalysatoranordnung (5) derart brennraumfern angeord­ net ist, daß das Auftreten kritischer Temperaturen in ihr vermieden ist, daß sich weiterhin zwischen dem Ausgang der ersten Katalysatoranordnung (4) und dem Eingang der zweiten Katalysatoranordnung (5) eine zweite Strömungsver­ bindung (9) erstreckt, und daß die Ventile (6, 8) derart angeordnet und angesteuert sind, daß bei unterhalb der Anspringtemperatur liegender Temperatur in der zweiten Katalysatoranordnung eine Strömungsreihenschaltung beider Katalysatoranordnungen (4, 5) und der Heizung (12) vorliegt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Unterstützung des Oxidationsvorgangs.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Verlegung des Zündzeitpunkts in der Maschine (1) in Richtung später nach Erreichen der Leerlaufdrehzahl im lastfreien Betrieb.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Sekundär­ luftzufuhr (18) in Strömungsrichtung vor der ersten Katalysa­ toranordnung (4) nach Erreichen der Leerlaufdrehzahl im lastfreien Betrieb der Maschine (1).

5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Sekundär­ luftzufuhr (18) in Strömungsrichtung unmittelbar vor der Heizung (12).

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch wärmeisolierende Ausbildung (11) der ersten und/oder zweiten Strömungsverbindung (9, 10).

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein erstes Ventil (6) in Strömungsrichtung unmittelbar vor der zweiten Strömungsverbindung (9) in der zweiten Abgasleitung (3) liegt und der davor befindliche Bereich derselben einen Speicher für vor Erreichen der Leerlaufdrehzahl emittiertes Abgas bildet.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ventil (6) nur bei Vorliegen der Anspringtempe­ ratur der zweiten Katalysatoranordnung (5) geöffnet ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein nur bei geöffnetem ersten Ventil (6) geöffnetes zweites Ventil (8) in Strömungsrichtung hinter der zweiten Strömungsverbindung (9) in der ersten Abgaslei­ tung (2) liegt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abgaskühlleitung (14) als Bypassleitung zu einem mit der Heizung (12) versehenen Bereich (13) der ersten Abgasleitung (2) verläuft, nahe ihrer strömungsabwär­ tigen Einmündung in diese mit einem in Abhängigkeit von Temperaturen im Bereich der ersten Katalysatoranordnung (4) betätigten Ventil (15) bestückt ist und ihr davor befindli­ cher Bereich einen Speicher für vor Erreichen der Leerlauf­ drehzahl emittiertes Abgas bildet.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Katalysatoranordnungen (4, 5) Temperaturfühler (19, 20; 21, 22) an Stellen angeord­ net sind, die im Betrieb der jeweiligen Katalysatoranordnung vom Konvertierungsgrad abhängige unterschiedliche Temperatu­ ren annehmen, und daß die Ventile (6, 8, 15) mit dem Ziel der Einstellung eines vorgegebenen Konvertierungsgrades betätigt werden.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Starten der kalten Maschine alle Ventile (6, 8, 15) geschlossen sind.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (7) zur Regelung auf konstante Ausgangstemperatur der ersten Katalysatoranordnung (4) im Lastbetrieb der Maschine (1) vorgesehen sind.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Katalysatoranordnung (4) für die Abgasemission aller Brennräume im Leerlaufbetrieb ausgelegt ist, dagegen beide Katalysatoranordnungen (4, 5) zusammen für die Abgasemission aller Brennräume im Vollastbe­ trieb der Maschine (1) ausgelegt sind.