DE4139600A1 - Verfahren zum beheizen eines abgaskatalysators und abgasanlage eines verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren zum beheizen eines abgaskatalysators und abgasanlage eines verbrennungsmotors

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DE4139600A1
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Juergen Ing Grad Bayer
Andreas Dipl Ing Gruener
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Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
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    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
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    • F01N3/2033—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating using a fuel burner or introducing fuel into exhaust duct
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen eines Abgas­ katalysators eines mit einem Verbrennungsmotor ausgerüsteten Kraftfahrzeuges und eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors.
Die heute üblichen Abgaskatalysatoren erbringen ihre Funktion erst dann in zufriedenstellendem Maße, wenn sie ihre Betriebs­ temperatur erreicht haben. Dies bedeutet, daß insbesondere kurz nach dem Start des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges die Wirkung des Abgaskatalysators nicht oder nur mangelhaft gegeben ist. Es ist bekannt, Abgaskatalysatoren zu beheizen, um sie möglichst schnell auf die Betriebstemperatur zu bringen. Hierzu werden elektrische Heizungen in den Abgaskatalysator integriert, die von der normalen Fahrzeugbatterie oder einer Zusatzbatterie versorgt werden. Diese Lösung ist jedoch nicht befriedigend, da ein relativ hoher Verbrauch an elektrischer Energie statt­ findet, die insbesondere für kurz aufeinanderfolgende, mehrfache Kaltstarts von einem Kraftfahrzeug kaum zur Verfügung gestellt werden kann.
Der Erfindung liegt der Aufgabe zugrunde, ein wirksames Beheizen eines Abgaskatalysators zu ermöglichen, das auch bei mehrfach aufeinanderfolgenden Kaltstarts durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mittels eines Brenners ein Heißgas erzeugt wird, mittels dessen der Abgaskatalysator aufgeheizt wird.
Mittels eines Brenners ist es möglich, in kurzer Zeit soviel Wärme zu erzeugen, daß eine wirksame Aufheizung möglich ist. Dabei bereitet es keine Schwierigkeiten, das Brennmaterial in genügender Menge bereitzustellen, um mehrfache Kaltstarts kurz hintereinander zu ermöglichen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß dem Brenner als Brennmaterial Kraftstoff des Verbrennungs­ motors zugeführt wird. Dadurch ergibt sich der besondere Vor­ teil, daß kein zusätzlicher Speicher für das Brennmaterial benötigt wird. Derartige Brenner sind im Prinzip für sogenannte Standheizungen von Kraftfahrzeugen bekannt und arbeiten äußerst wirtschaftlich mit einem geringen Kraftstoffverbrauch und weit­ gehend sauberer Verbrennung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß das von dem Brenner erzeugte Heißgas durch einen Wärmetauscher geführt wird, der in einer Abgasleitung für die Abgase des Ver­ brennungsmotors angeordnet und dem Abgaskatalysator vorge­ schaltet ist. Dadurch wird sichergestellt, daß der Brenner mit seiner Flamme nicht unmittelbar dem empfindlichen Katalysator zugeordnet ist. In zweckmäßiger Ausgestaltung wird dabei vor­ gesehen, daß das Heißgas in die Abgasleitung eingeleitet und über den Abgaskatalysator abgeführt wird. Der Abgaskatalysator ermöglicht dabei eine Nachverbrennung des Heißgases, das in der Regel das Verbrennungsgas des Brenners ist, das allerdings einen hohen Luftüberschuß aufweist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß bis zu dem Starten des Verbrennungsmotors das Heißgas in die Abgasleitung eingeleitet und dann einer Luftansaugung des Ver­ brennungsmotors zugeführt wird. Dabei wird erreicht, daß zunächst bis zu dem Starten der Abgaskatalysator beheizt wird, während dann dem Verbrennungsmotor Heißgas zugeführt wird, so daß die erzeugten Abgase eine erhöhte Temperatur besitzen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer Abgasan­ lage eines Verbrennungsmotors mit einem in einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors angeordneten, heizbaren Abgaskatalysator ein Brenner vorgesehen, der als Heizeinrichtung für dem Abgas­ katalysator zugeführte Gase dient.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung einen Ver­ brennungsmotor mit einer Abgasanlage, die einen Abgaskatalysa­ tor und eine einen Brenner aufweisende Heizeinrichtung enthält.
Der als Otto-Motor ausgebildete Verbrennungsmotor (10) saugt die notwendige Verbrennungsluft über ein Luftfilter (11) an. Die Verbrennungsluft wird mit einem Kraftstoff in einem Ver­ gaser oder mittels Einspritzdüsen gemischt, der von einer Kraftstoffpumpe (12) aus einem Kraftstofftank (13) zugeführt wird. Die Abgase des Verbrennungsmotors (10) werden über eine nur teilweise dargestellte Abgasanlage abgeführt. Die Abgas­ anlage enthält eine oder mehrere Abgasleitungen (14), die zu einem Abgaskatalysator (15) konventioneller Bauart und danach zu nicht dargestellten Schalldämpfern führt.
Der Abgaskatalysator erfüllt seine Funktion erst dann in aus­ reichendem Maße, wenn er seine Betriebstemperatur erreicht hat. Um zu erreichen, daß der Abgaskatalysator (15) seine Betriebs­ temperatur bereits beim Starten des Verbrennungsmotors oder kurzzeitig danach erreicht, wird der Abgaskatalysator bei oder vor dem Start mittels eines atmosphärischen Brenners (16) mit Heißgas beheizt. Der Brenner (16) verbrennt aus dem Tank (13) über eine Dosiereinrichtung (17) entnommenen Kraftstoff, der mit Verbrennungsluft gemischt wird, die von einem Gebläse (18) zugeführt wird. Das von dem Brenner (16) erzeugte Heißgas wird durch einen Wärmetauscher (19) geleitet, der in der Abgas­ leitung (14) vor dem Katalysator (15) angeordnet ist. Der Wärmetauscher (19) ist vorzugsweise als Querstromwärmetauscher ausgebildet.
Bei einer ersten Ausführungsform wird vorgesehen, daß der Wärmetauscher (19) Frischluft aufheizt, die mittels einer Frischluftzuführeinrichtung, die mittels eines Pfeiles (20) angedeutet ist und vorzugsweise ein Gebläse enthält, der Ab­ gasleitung (14) vor dem Wärmetauscher (19) zugeführt wird. Der Brenner (16) wird vor dem Starten des Verbrennungsmotors (10) gezündet und solange mittels einer Startverzögerungsschaltung eingeschaltet gelassen, bis der Abgaskatalysator (15) wenigstens annähernd die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat. Danach wird der Verbrennungsmotor (10) gestartet, wobei die Frischluftzufuhr (20) und ggf. mit einer weiteren Zeit­ verzögerung auch der Brenner (16) abgeschaltet werden.
Bei einer anderen Ausführungsform wird vorgesehen, daß die von dem Brenner (16) erzeugten Heißgase am Heißgasaustritt des Wärmetauschers (19) aufgenommen und in die Abgasleitung (14) über eine Verbindungsleitung (21) eingeleitet werden. Diese Verbindungsleitung (21) ist vor dem Wärmetauscher (19) an die Abgasleitung (14) angeschlossen. Das Heißgas (21) durchströmt noch einmal den Wärmetauscher (19) und dann den Abgaskatalysa­ tor (15). In diesem Fall wird in weiterer Ausgestaltung vor­ gesehen, daß der Wärmetauscher (19) mit einer Trägermatrix und katalytischer Beschichtung versehen ist, so daß er als ein Vor­ katalysator arbeitet. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Brenner (16) mit einem Vorlauf zum Start des Verbrennungs­ motors (10) gezündet und wenigstens bis zum Start des Ver­ brennungsmotors (10) in Betrieb gehalten.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß in der von dem Wärmetauscher (19) zurück zur Abgasleitung (14) führenden Verbindungsleitung ein Schaltventil (22) angeordnet ist. Dieses Schaltventil (22) wird mit dem Starten des Ver­ brennungsmotors (10) so geschaltet, daß der Heißgasaustritt des Wärmetauschers (19) über eine Verbindungsleitung (23) mit der Ansaugeinrichtung des Verbrennungsmotors (10) verbunden wird, d. h. mit dem Luftfilter. In diesem Fall wird der Betrieb des Brenners (16), der mit einem hohen Luftüberschuß arbeitet, noch eine gewisse Zeit nach dem Starten des Verbrennungsmotors (10) aufrechterhalten.

Claims (12)

1. Verfahren zum Beheizen eines Abgaskatalysators eines mit einem Verbrennungsmotor ausgerüsteten Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Brenners ein Heißgas erzeugt wird, mittels dessen der Abgaskatalysator aufgeheizt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brenner als Brennmaterial Kraftstoff des Verbrennungsmotors zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das von dem Brenner erzeugte Heißgas durch einen Wärmetauscher geführt wird, der in einer Abgasleitung für die Abgase des Verbrennungsmotors angeordnet und dem Abgaskatalysa­ tor vorgeschaltet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißgas in die Abgasleitung eingeleitet und über den Abgas­ katalysator abgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Heißgas vor dem Wärmetauscher in die Abgasleitung eingeleitet und durch den Wärmetauscher hindurch zu dem Abgas­ katalysator geführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu dem Starten des Verbrennungsmotors das Heißgas in die Abgasleitung eingeleitet und dann einer Luftansaugung des Verbrennungsmotors zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher eine katalytische Ver­ brennung des Abgases des Verbrennungsmotors und/oder der Heiß­ gase des Brenners ausführt.
8. Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit einem in einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors angeordneten, heizbaren Abgaskatalysator, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brenner (16) vorgesehen ist, der als Heizeinrichtung für dem Abgaskatalysa­ tor (15) zugeführte Gase dient.
9. Abgasanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (14) vor dem Abgaskatalysator (15) ein Wärmetauscher (19) angeordnet ist, der mit dem von dem Brenner (16) erzeugten Heißgas beaufschlagt ist.
10. Abgasanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Heißgasaustritt des Wärmetauschers (19) an die Abgasleitung (14) vor dem Abgaskatalysator (15) ange­ schlossen ist.
11. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Verbindungsleitung (21) zwischen dem Heißgasaustritt des Wärmetauschers (19) und der Abgaslei­ tung (14) ein Schaltventil (22) angeordnet ist, das auf eine Verbindungsleitung (23) zu einer Luftansaugeinrichtung (11) des Verbrennungsmotors (10) umschaltbar ist.
12. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasströmungsweg des Wärmetauschers (19) als Abgaskatalysator ausgebildet ist.
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