DE4132814A1 - Verfahren und vorrichtung zur abgasentgiftung einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 8.

Entscheidend für die Schadstoffemission einer Brennkraftmaschine sind die ersten ein bis zwei Mi­ nuten nach dem Starten bei kalter Maschine.

In dieser Phase werden ca. 70-80% der gesamten Emission von HC und CO ausgestoßen. Da in diesem Zeitraum der Katalysator noch keine Betriebstempe­ ratur aufweist, emittiert der Motor quasi die Roh­ emission.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diesen Zeitraum zu überbrücken bzw. zu verkürzen, zum Beispiel da­ durch, daß der Katalysator elektrisch beheizt wird (DE-OS 27 19 252).

Da der Katalysator jedoch eine erhebliche Größe und Masse aufweist, ist für eine in kurzer Zeit erfol­ gende Aufheizung eine hohe Heizleistung erforder­ lich, die einer hohe Stromzuführung bedarf, die bei Einsatz des Motors in einem Kraftfahrzeug über die Kapazität der Fahrzeugstromanlage hinaus geht.

Aus der PIERBURG-Produktinformation "Elektrische Sekundärluftpumpe", Nr. 5/4 00-151.01, 9/91, veröf­ fentlicht auf der Internationalen Automobil Aus­ stellung, Frankfurt/Main, 1991, ist ein Sekundär­ luftsystem entnehmbar, das bei einer Brennkraftma­ schine die Einblasung von Sekundärluft in die Ab­ gaskrümmer während der kalten, noch nicht betriebs­ bereiten Phase des Katalysators vorsieht.

Hierdurch wird erreicht, daß die Schadstoffe CO und HC, die vermehrt in der Kaltphase durch eine motor­ seitige Luftzahl von Lambda < 1 entstehen, abge­ senkt werden und dem Katalysator Wärme zugeführt wird zur Erreichung schnellerer Betriebsbereit­ schaft nach dem Kaltstart. Das Sekundärlufteinblas­ system besteht aus einer Luftpumpe, einem oder meh­ reren Rückschlagventilen und einem Abschaltventil.

Überlegungen, wie die hohe Stromzuführung der Be­ heizung der DE-OS 27 19 252 minimiert werden kann, führten im Zusammenhang mit diesem Sekundärluftsy­ stem zu dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren, daß, der Katalysator durch einen mit Brennstoff der Brennkraftmaschine betriebenen Brenner beheizt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 ge­ nannt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist mit dem Anspruch 8 angegeben, wobei auf diesen bezogene Unteransprüche vorteilhafte Weiterbildun­ gen angeben.

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung kann die nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine erfolgende Emission von HC und CO erheblich verringert bzw. verkürzt werden.

Mit der Vorrichtung ist eine einfache Lösung gefun­ den worden, die mit geringem Bauaufwand realisier­ bar und auch als Nachrüstlösung geeignet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt und wird hinsichtlich der Vorrichtung und des Verfahrens beschrieben. Die Fig. 2 zeigt eine Einzelheit der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Lufteinlaß 2 und einem Abgasauslaß 3. Im Sammelrohr 4 des Abgasauslasses 3 ist ein Sauer­ stoffsensor 5 angeordnet, der, da ggf. beheizt, kurz nach dem Starten bereits ein sogenanntes Lambdasignal bereitstellt und an ein Steuergerät 6 ausgibt, in dem ein Steuersignal für einen Gemisch­ bilder, z. B. eine Einspritzung mit Einspritzventi­ len 7, erzeugt wird.

Der Lufteinlaß 2 weist eine stromauf einer Drossel­ klappe 8 abzweigende Luftleitung 9 auf, in derem Zuge eine Luftpumpe 10, ein Absperrventil 11 und ein 3/2-Wegeventil 12 angeordnet sind. Die Luftlei­ tung 9 führt über einen Ausgang 13 des 3/2-Wegeven­ tils 12 zum Abgasauslaß 3, verzweigt sich dort und tritt in einzelne Abgaskrümmer der Zylinder ein. Die Einspritzventile 7, die Luftpumpe 10, das Ab­ sperrventil 11 und das 3/2-Wegeventil 12 stehen über elektrische Leitungen mit dem Steuergerät 6 in Verbindung, mit dem das Motormanagement betrieben wird.

Erfindungsgemäß weist nun das bisher beschriebene System ein Brennersystem 14 auf, das mit Brennstoff der Brennkraftmaschine betrieben wird und aus einer Brennerdüse 15 und einem Zündmodul 16 besteht. Die Brennerdüse 15 ragt in das Sammelrohr 4 stromauf eines Katalysators 17 hinein und ist aus einem Luftleitungsabzweig 18 gebildet, der vom anderen Ausgang 19 des 3/2-Wegeventils 12 abgeht und in das Sammelrohr 4 einmündet, sowie einem im Einmündeab­ schnitt 20 des Luftleitungsabzweiges 18 angeordne­ ten Brennstoffaustritt 21, der über eine Brenn­ stoffleitung 22 mit dem Brennstoffversorgungssystem der Brennkraftmaschine verbunden ist, vorteilhaf­ terweise mit der Brennstoffverteilerleiste 23 vor den Einspritzventilen 7. Im Zuge dieser Brennstoff­ leitung 22 ist ein Magnetventil 24 angeordnet, das ebenfalls über eine elektrische Leitung mit dem Steuergerät 6 verbunden ist. Das Zündmodul 16 ragt mit Zündelektroden 25 derart in das Sammelrohr 4 hinein, daß das von der Brennerdüse 15 gebildete Brenngemisch auf diese auftrifft und gezündet wird.

Fig. 2 zeigt eine Vergrößerung aus Fig. 1, aus der der Aufbau der Brennerdüse 15 erkennbar ist. Die Brennerdüse 15 ist aus dem Einmündeabschnitt 20 des Luftleitungsabzweiges 18 gebildet, der in das Sam­ melrohr 4 stromauf des Katalysators 17 hineinragt und den Brennstoffaustritt 21 aufweist, der durch Abstandshalter 26 zum Einmündeabschnitt 20 zen­ triert wird und gleichzeitig äußere Durchlässe 27 für die Luft sowie am Luftaustritt einen konzentri­ schen Drosselklappenspalt bildet, über den die Luft bei Brennerbetrieb austritt und den zentrisch aus dem Brennstoffaustritt 21 austretenden Brennstoff fein zerstäubt. Über eine Luftleitung 28 steht die Luftleitung 18 mit der Brennstoffleitung 22 in Ver­ bindung, so daß bei Abschaltung des Brennersystems 14 Luft über eine Drossel 29 in den Brennstoffaus­ tritt 21 geblasen werden kann, um so Restbrennstoff auszublasen.

Die in die Abgaskrümmer führende Luftleitung 9 weist eine das 3/2-Wegeventil 12 umgehende Umge­ hungsleitung 30 auf, so daß bei geschlossenem Aus­ gang 13 des 3/2-Wegeventils 12 ein über eine Dros­ sel 31 gedrosselter Luftstrom in die Abgaskrümmer geführt wird.

Funktion

Bei Zündung "ein" bzw. bei Motorlauf nach dem Star­ ten, während der kalten, noch nicht betriebsberei­ ten Phase des Katalysators 17 erfolgt über das Steuergerät 6 angesteuert eine Bestromung der Luft­ pumpe 10, die Öffnung des Absperrventils 11 und des Austritts 19 des 3/2-Wegeventils 12 zur Brennerdüse 15 sowie die Öffnung des Magnetventils 24 in der Brennstoffleitung 22 und das Zünden des Zündmoduls 16. Das sich in der Brennerdüse 15 gebildete Brenn­ gemisch entflammt an den Elektroden des Zündmoduls, so daß gegen den Katalysator 17 gerichtete Flammen entstehen, die den Katalysator 17 erhitzen. Die durch den Luftleitungsabzweig 18 über die Durch­ lässe 27 der Brennerdüse 15 einströmende Luftmenge steht dabei in einem festgelegten Verhältnis zu der durch den Brennstoffaustritt 21 strömenden Brenn­ stoffmenge im Hinblick auf eine saubere Verbren­ nung. Die Katalysatortemperatur kann über einen im Katalysator 17 angeordneten Temperatursensor 32 oder indirekt über andere Größen aus dem Motormana­ gement festgestellt werden, z. B. der Lambdasonden­ temperatur, und führt zu einer vom Steuergerät 6 bewirkten Unterbrechung der Brennertätigkeit. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, daß die Beheizung bei Zündung "ein" bzw. beim Starten eingeschaltet und nach einer vorgegebenen Zeitspan­ ne, vorzugsweise zehn bis vierzig Sekunden, abge­ schaltet wird und daß die Beheizung vorzugsweise mit konstanter Heizleistung erfolgt. Wird nach die­ ser ersten Heizphase durch noch kaltes Abgas die Betriebstemperatur des Katalysators wieder unter­ schritten, wird mit verringerter Heizleistung nach­ geheizt.

Es versteht sich von selbst, daß durch eine perio­ dische Brennerein- und -ausschaltung mit unter­ schiedlichem Tastverhältnis quasi eine Regelung der Katalysatortemperatur oberhalb der minimalen Be­ triebstemperatur erreicht wird, so daß die vom Sauerstoffsensor bereitgestellten Lambdasignale be­ reits kurze Zeit nach dem Anspringen des Motors zu einer Regelung verwendet werden können und ein ho­ her Wirkungsgrad des Katalysators erreicht wird.

Die über den Anschluß des 3/2-Wegeventils 12 in den Ruhephasen des Brennersystems 14 in die Abgaskrüm­ mer geführte Luft bewirkt bekanntlich eine Absen­ kung der Schadstoffe CO und HC bereits vor dem Ka­ talysator 17. In den Betriebsphasen des Brennersy­ stems 14 kann vorteilhafterweise eine verringerte Luftmenge über die Drossel 31 und die Umgehungslei­ tung 30 in die Abgaskrümmer eingeführt werden mit verringerter Umsetzungsrate.

Claims (15)

1. Verfahren zur Abgasentgiftung bei einer mit einem Katalysator ausgerüsteten Brennkraftma­ schine während des Kaltbetriebs - ggf. in Verbindung mit einem beheizten Sauerstoffsensors im Abgas-, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (17) durch ein Brennersystem (14), das auf Steuersignale eines Steuergerätes (6) reagiert, auf Betriebstem­ peratur beheizt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Beheizung bei Zündung "ein" bzw. Startbeginn mit maximaler Heizleistung er­ folgt, die ab einer bestimmten Betriebszeit ab­ sinkt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung in Abhängigkeit der Katalysatortemperatur abgeschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung in Abhängigkeit der Lambdasondentemperatur abgeschaltet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung bei Unterschreiten der Betriebstemperatur des Katalysa­ tors (17) eingeschaltet und bei Erreichen abge­ schaltet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung beim Starten ein­ geschaltet und nach einer vorgegebenen Zeitspanne, vorzugsweise zehn bis vierzig Sekunden, abgeschal­ tet wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Heizleistung durch eine getaktete Brennerein- und -ausschaltung mit variablem Tastverhältnis er­ folgt.

8. Vorrichtung zur Beheizung des Katalysa­ tors einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur Durchführung des Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch Anordnung eines Brennersystems (14) im Abgassammelrohr (4) stromauf des Katalysa­ tors (17), das mit dem Brennstoff der Brennkraftma­ schine betrieben wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Brennersystem (14) aus einer Brennerdüse (15) und einem Zündmodul (16) gebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennerdüse (14) aus einem Einmündeabschnitt (20) einer Luftleitung (18) und einem in diesen eingesetzten Brennstoffaustritt (21) gebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffaustritt (21) durch Abstandshalter (26) im Einmündeabschnitt (20) zentriert ist und Durchlässe (27) für Luft bildet, die einen konzentrisch um den Brennstoffaustritt (21) angeordneten Drosselspalt für die Luft bilden.

12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge der Luftleitung (18) eine Luftpumpe (10), ein Absperr­ ventil (11) und ein 3/2-Wegeventil (12) angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffaustritt (21) mit einer Brennstoffleitung (22) verbunden ist und die­ se mit einer Brennstoffverteilerleiste (23) der Brennkraftmaschine, wobei in derem Zuge ein Magnet­ ventil (24) und ggf. eine Drosselstelle angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffleitung (22) stromab des Magnetventils (24) über eine Luftlei­ tung (28) mit Drossel (29) mit der Luftleitung (18) verbunden ist, so daß bei Abschaltung des Brenner­ systems (14) Restbrennstoff aus dem Brennstoffaus­ tritt (21) ausgeblasen wird.

15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Luftpum­ pe (10) eine bekannte Sekundärluftpumpe eines Ab­ gasentgiftungssystems eingesetzt wird, wobei bei Brennerbetrieb eine verringerte Luftmenge über eine das 3/2-Wegeventil (12) umgehende Umgehungsleitung (30) mit Drossel (31) in die Abgaskrümmer einge­ führt wird.