DE4140986A1 - Anordnung zur abgasreinigung, insbesondere von brennkraftmaschinen fuer kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abgasreinigung, ins­ besondere von Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einer Abgasführung, sowie mindestens einem Abgaskatalysator und mindestens einem diesem zugeordneten Bypass, der über einen drehbaren Ventilzylinder wahlweise anstelle des Abgaskatalysa­ tors in die Abgasführung einschaltbar ist.

Anordnungen zur Abgasreinigung dieser Art sind bekannt (Gbm 90 07 153). Der dort vorgesehene Abgaskatalysator besitzt einen Trägerkörper, der in einem den Abgasstrom führenden Mantelge­ häuse angeordnet ist. Dieses Mantelgehäuse ist von einer Außen­ hülle umgeben, die mit dem Mantelgehäuse einen Bypass für den Abgasstrom bildet. Im Bereich des Einlasses des Mantelgehäuses ist ein Ventilzylinder angeordnet, der auf seinem Umfang in der Drehrichtung hintereinander angeordnete Öffnungen aufweist und je nach Drehstellung den Abgasstrom entweder von einem Einlaß zum Bypass oder vom Einlaß in den Abgaskatalysator führt. Das Umschalten des Ventilzylinders kann temperaturabhängig über eine Bimetallspirale erfolgen, die Umschaltung wird dabei so vorgenommen, daß in der Startphase des Verbrennungsmotors der Abgasstrom durch den Bypass geleitet wird. Dabei erwärmt sich der von dem Bypass umgebene Trägerkörper des Abgaskatalysators. Ist dessen Betriebstemperatur erreicht, wird der Ventilzylinder umgeschaltet, so daß der Abgasstrom durch den Katalysator ge­ führt wird.

Bekannt ist es auch (DE-OS 39 0 80), zur Konvertierung der Abgase eines Verbrennungsmotores mehrere in unmittelbarer Nähe des Motors angebaute Vorkatalysatoren vorzusehen, denen in der Abgasführung ein Hauptkatalysator nachgeschaltet ist. Die Vor­ katalysatoren besitzen jeweils einen hohlzylinderförmigen Trä­ gerkörper, wobei in der zentralen Öffnung des Trägerkörpers ein Bypassrohr sitzt. Mit Hilfe einer innerhalb des Bypassrohres angeordneten Drehklappe kann der Abgasstrom in der Startphase des Verbrennungsmotors durch die Trägerkörper der Vorkatalysa­ toren geleitet werden. Da diese motornah eingebaut sind und auch eine geringere Masse besitzen, erreichen sie schnell ihre Betriebstemperatur. Hat der nachgeschaltete Hauptkatalysator seine Betriebstemperatur erreicht, so wird die Drehklappe in jedem einzelnen Vorkatalysator in die Offenstellung überführt, so daß der Abgasstrom durch das Bypassrohr zum Hauptkatalysator geführt wird. Durch diese Maßnahme wird auch eine Überhitzung der Vorkatalysatoren verhindert. Der Aufbau von Katalysatoren mit einem zentralen Bypass und dessen Steuerung durch geson­ derte Drehklappen ist aufwendig.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine An­ ordnung zur Abgasreinigung der eingangs genannten Art so aus zu­ bilden, daß weder der Hauptkatalysator noch Vorkatalysatoren in besonderer Weise ausgebildet und mit einem integrierten Bypass versehen werden müssen. Auch die Steuerung zwischen Bypass ei­ nerseits und Katalysator bzw. Vorkatalysator andererseits soll vereinfacht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Anordnung zur Abgas­ reinigung der eingangs genannten Art vorgesehen, daß der Ven­ tilzylinder als eine längliche Abgaswalze ausgebildet ist, deren Drehachse quer zur Abgasführung steht und in deren Zylin­ derwand mindestens zwei auf einer Mantellinie nebeneinander liegende und in Richtung der Drehachse versetzt zueinander an geordnete Abströmöffnungen vorgesehen sind, die so angeordnet sind, daß sie mit nebeneinander liegenden Öffnungen mehrerer Abgasführungsrohre zu mindestens einem Vorkatalysator oder zu mindestens einem neben dem Vorkatalysator angeordneten Bypass­ rohr fluchten.

Durch diese Ausgestaltung können handelsübliche Trägerkörper auch für die Vorkatalysatoren verwendet werden. Die Umschaltung erfolgt dadurch, daß entweder dieser Vorkatalysatorträgerkörper oder ein getrennt davon neben dem Vorkatalysator angeordneter Bypasskanal mit dem Abgas beaufschlagt wird. Diese Ausgestal­ tung erlaubt eine einfache Steuerung, bei der auch keine Pro­ bleme hinsichtlich der Dichtheit entstehen, weil die zylindri­ sche Abgaswalze sehr dicht an entsprechenden Führungswänden ge­ führt werden kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Abgaswalze zur Steuerung von mehreren nebeneinander liegen­ den Vorkatalysatoren und von mehreren in einer Flucht mit die­ sen Vorkatalysatoren angeordneten Bypassleitungen zu einem ge­ meinsamen Hauptkatalysator dient. Dabei kann nach den Merkmalen der Ansprüche 3 oder 4 die Abgaswalze in der Abgasströmung vor den Vorkatalysatoren oder auch hinter den Vorkatalysatoren in der Abgasströmung liegen. Besonders vorteilhaft ist es schließ­ lich auch noch, wenn die Abgaswalze, die ohnehin rohrförmig ausgebildet ist, stirnseitig auch noch mit Sekundärluft beauf­ schlagt wird. Wenn die Abgaswalze daher im Strömungsweg vor den Vorkatalysatoren angeordnet ist, wird es auf diese Weise mög­ lich, die Temperatur vor den Vorkatalysatoren zu erniedrigen. Zweckmäßig ist es, um den gleichen Zweck zu erreichen, daher in dem Fall, in dem die Abgaswalze zur Steuerung zwischen Bypass und Vorkatalysatoren hinter den Vorkatalysatoren liegt, den Vorkatalysatoren einen Sammelraum, z. B. in der Form eines quer verlaufenden Rohres, vorzuschalten, in das die Sekundärluft eingeführt werden kann.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand von zwei Ausführungs­ beispielen dargestellt und wird im folgenden erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Verbrennungs­ motors eines Kraftfahrzeuges, der im Bereich seiner Auspuffkrümmer erfindungsgemäß ausgestaltet ist,

Fig. 2 die schematische Draufsicht auf den Motor der Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Detaildarstellung eines Längsschnit­ tes durch die im Bereich der Auspuffkrümmer des Mo­ tors der Fig. 1 und 2 angeordnete Abgassteuerwalze in einer ersten Steuerstellung,

Fig. 4 die Abgassteuerwalze der Fig. 3 in ihrer zweiten Steuerstellung,

Fig. 5 die schematische Seitenansicht eines Motors ähnlich Fig. 1, jedoch mit einer im Abgasströmungsweg hinter den Vorkatalysatoren angeordneten Abgassteuerwalze, und

Fig. 6 die Draufsicht auf den Motor der Fig. 5.

In den Fig. 1 und 2 ist schematisch ein Motor (1) eines Kraft­ fahrzeuges gezeigt, der beim Ausführungsbeispiel mit vier Zylin­ dern versehen ist, wobei die Auspuffkrümmer (2) dieser Zylinder seitlich aus dem Motor herausgeführt sind. Diese Auspuffkrümmer (2) münden in ein zylindrisches Sammelrohr (3), von dem aus vier Verbindungsrohre (4) sowie drei Verbindungsrohre (5) zu einem gemeinsamen Auspuffrohr (6) geführt sind, in dem ein Hauptkatalysator (7) angeordnet ist. In den Abgasrohren (5) sind jeweils Vorkatalysatoren (8) so angeordnet, daß sie mög­ lichst motornah liegen. Die Vorkatalysatoren (8) sind daher mit einer ihrer Stirnflächen unmittelbar an dem Sammelrohr (3) an­ gebracht, wie das noch näher aus Fig. 3 hervorgeht.

Das Sammelrohr (3) dient zur Aufnahme einer zylindrischen Ab­ gaswalze (9), die in Fig. 3 gezeigt ist, und die über einen stirnseitig an ihr angebrachten Wellenstummel (10) im Sinne des Pfeiles (11) in Drehung versetzt werden kann. Diese Abgas­ walze (9) besteht aus einem an beiden Stirnseiten geschlossenen zylindrischen Rohr, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmes­ ser des Sammelrohres angepaßt ist, so daß die Abgaswalze dicht innerhalb des Sammelrohres (3) angeordnet ist und sich verdre­ hen läßt. Der Wellenstummel (10) ist beim Ausführungsbeispiel hohl ausgebildet und dient zur Zufuhr von Sekundärluft in das Innere der Abgaswalze (9).

Wie sich im einzelnen aus Fig. 3 ergibt, ist die Abgaswalze (9) mit ihrer Drehachse (12) senkrecht zu den Achsen der Auspuff­ krümmer (2) und senkrecht zu den Achsen der Rohrleitungen (4 und 5) angeordnet. Beim Ausführungsbeispiel fluchten die Achsen der Auspuffkrümmer (2) jeweils mit den Achsen der Abgasrohre (4). In dem Sammelrohr (3) sind demzufolge diametral gegenüber­ liegende Öffnungen (13) vorgesehen, an denen jeweils die Aus­ puffkrümmer (2) bzw. die Abgasrohre (4) dicht anliegen. Zwi­ schen jeweils zwei Abgasrohren (4) ist ein Abgasrohr (5) mit einem Vorkatalysator (8) angeordnet, wobei die Achsen der Rohre (5) in einer Ebene mit den Achsen der Abgasrohre (4) liegen. Jeder Vorkatalysator (8) grenzt mit seiner vom Rohr (5) abge­ wandten Stirnseite an eine Öffnung (14) in dem Sammelrohr (3) an. Die Öffnungen (13 und 14) sind jeweils so angeordnet, daß ihre Achsen in gleichem Abstand zueinander liegen.

Die im Inneren des Sammelrohres (3) gelagerte Abgaswalze (9) ist auf ihrem Umfang mit Austrittsöffnungen (15 bzw. 16) ver­ sehen, von denen die Öffnungen (15) in einem Abstand a zueinan­ der parallel zur Drehachse (12) und jeweils auf einer Mantel­ linie der Abgaswalze (9) liegend so versetzt zueinander sind, daß ihr Abstand dem Abstand der Abgaskrümmer (2) entspricht. Auf einer Mantellinie der Abgaswalze (9), die der ersten Man­ tellinie diametral gegenüberliegt, auf der die Öffnungen (15) angeordnet sind, liegt die Öffnung (16), die in ihrem Quer­ schnitt demjenigen der Öffnung (14) im Sammelrohr (3) angepaßt ist. In der in der Fig. 3 dargestellten Stellung können die heißen, vom Motor (1) kommenden Abgase daher durch die Auspuff­ krümmer (2) sowie durch die Öffnungen (13 und 15) in das Innere der Abgaswalze (9) eintreten und von dort durch die Öffnung (16) in den Vorkatalysator und das Rohr (5) zum Auspuffrohr (6) geführt werden. Die Abgaswalze (9) enthält natürlich noch wei­ tere Öffnungen (15 und 16) entsprechend den in Fig. 3 gezeigten Öffnungen, so daß in der in der Fig. 3 dargestellten Schalt­ stellung der Abgaswalze (9) das aus dem Motor (1) austretende heiße Abgas jeweils ausschließlich durch die drei Vorkatalysa­ toren (8) und die Rohre (5) zum Auspuffrohr (6) geführt wird. Die Öffnungen (13) der Abgasrohre (4) sind in dieser Stellung verschlossen. Diese Schaltstellung wird beispielsweise beim Start des Motors durch entsprechende Steuermittel eingestellt. Die Vorkatalysatoren (8) , die wie ausgeführt, sehr motornah angeordnet sind und eine verhältnismäßig geringe Masse haben, heizen sich in der Schaltstellung der Abgaswalze (9) nach Fig. 3 verhältnismäßig schnell auf und erreichen in der Startphase sehr bald ihre Betriebstemperatur, so daß auch in der Start­ phase schon eine relativ gute Umsetzung des Abgases möglich ist, die im Hauptkatalysator wegen dessen niedriger Ausgangs­ temperatur nicht erreichbar ist.

Wenn nach einer gewissen Betriebszeit auch die Betriebstempera­ tur des Hauptkatalysators (7) hoch genug ist, dann wird die Ab­ gaswalze (9) in die Stellung der Fig. 4 umgeschaltet, in der sie die Öffnungen (16) von allen Vorkatalysatoren (8) ver­ schließt, dagegen die Öffnungen (13) zu den Abgasrohren (4) freigibt. Zu diesem Zweck ist es daher notwendig, da auch in dieser Stellung die Öffnungen (13) der Auspuffkrümmer offen­ bleiben müssen, daß die Öffnungen (15) in der Umfangsrichtung der Abgaswalze entsprechend länger bemessen werden als die Öff­ nungen (16 bzw. 17). Die Öffnungen (17) sind im übrigen aber in der Stellung in der Fig. 4 diametral den Öffnungen (15) gegen­ überliegend angeordnet und weisen eine Querschnittsfläche auf, die der Querschnittsfläche der Öffnungen (13) in dem Sammelrohr (3) entspricht. Die in der Fig. 4 gezeigte Schaltstellung schaltet die Vorkatalysatoren (8) ab und führt das Abgas unmit­ telbar zum Hauptkatalysator (7), der, wie bereits ausgeführt wurde, in dieser Schaltstellung seine Betriebstemperatur be­ reits erreicht hat.

Die Umschaltung der Abgaswalze (9) kann in Abhängigkeit von der Temperatur des Hauptkatalysators (7) vorgenommen werden. In der Schaltstellung der Fig. 4 sind die Vorkatalysatoren (8) gegen ein Durchbrennen gesichert, das sonst wegen des motornahen An­ baues und der unmittelbaren Beaufschlagung der Vorkatalysatoren (8) mit dem heißen Abgas zu befürchten wäre.

Das Ausführungsbeispiel bietet aber auch noch die Möglichkeit, während des Betriebes der Vorkatalysatoren (8) - also in der Schaltstellung nach Fig. 3 - ein schnelleres Anspringen dersel­ ben dadurch zu erreichen, daß Sekundärluft im Sinne des Pfeiles (18) in die Abgaswalze (9) eingeführt wird, so daß dadurch die Temperatur der Vorkatalysatoren erhöht wird. Bekanntlich be­ wirkt der zugeführte Sauerstoff eine temperaturerhöhende Reak­ tion in den Katalysatoren. Diese Maßnahme kann auch mit dazu beitragen, in der Startphase eine gute Umsetzung der Abgase zu erreichen.

Während bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 4 die Ab­ gaswalze (9) unmittelbar zwischen Motor (1) und den Vorkataly­ satoren (8) angeordnet ist, ist die Umschalteinrichtung in Form einer Abgaswalze (9′) und eines diese umgebenden zylindrischen Gehäuses (19) beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 und 6 im Ab­ gasströmungsweg hinter den Vorkatalysatoren (8) angeordnet. Zwischen dem Motor (1) und den Vorkatalysatoren (8) ist wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 ein Sammelrohr (3′) angeordnet, das bei dieser Ausführungsform aber eine drehbare Abgaswalze (9) nicht enthält. Das Sammelrohr (3′) ist aber, um wieder die Zufuhr von Sekundärluft im Sinne des Pfeiles (18) zu ermöglichen, an einer seiner Stirnseiten mit einem Anschluß­ stutzen (20) versehen. An ihm sind die Vorkatalysatoren (8) in der gleichen Weise fest angeschlossen, wie das anhand des Aus­ führungsbeispieles der Fig. 1 und 2 bereits erläutert wurde. Die Abgasrohre (4′ und 5′) sind bei diesem Beispiel aber anders ausgebildet und geführt, und münden in das Gehäuse (19) an Um­ fangsstellen ein, die nicht auf einer gemeinsamen Mantellinie liegen. Entsprechend müssen hier die Eintrittsöffnungen in der Abgaswalze (9′) ebenfalls versetzt angeordnet werden, und es muß dafür gesorgt sein, daß die Steueröffnung zur Abgasleitung (6) in allen Schaltstellungen der Abgaswalze (9′) offen bleibt. Verschlossen werden von der Abgaswalze (9′) in diesem Fall ent­ weder die Eintrittsöffnungen der Rohre (5′), in denen die Vor­ katalysatoren (8) angeordnet sind, oder die Öffnungen der Ab­ gasrohre (4′), die unmittelbar vom Sammelrohr (3′) und vom Motor kommen.

Claims (8)

1. Anordnung zur Abgasreinigung, insbesondere von Brennkraft­ maschinen für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einer Abgasführung, sowie mindestens einem Abgaskatalysator und mindestens einem diesem zugeordneten Bypass, der über einen drehbaren Ventilzy­ linder wahlweise anstelle des Abgaskatalysators in die Abgas­ führung einschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ven­ tilzylinder als eine längliche Abgaswalze (9, 9′) ausgebildet ist, deren Drehachse quer zur Abgasführung (2, 4, 5) steht und in deren Zylinderwand mindestens eine Zuführöffnung (15) und mindestens zwei auf einer Mantellinie nebeneinander liegende und in Richtung der Drehachse versetzt zueinander angeordnete Abströmöffnungen (16, 17) vorgesehen und so angeordnet sind, daß sie mit nebeneinander liegenden Öffnungen (13, 14) von Abgasführungsrohren (4, 5, 4′, 5′) zu mindestens einem Vor­ katalysator (8) oder zu mindestens einem Bypass (4) fluchten.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaswalze (9, 9′) zur Steuerung von mindestens zwei neben­ einander liegenden Vorkatalysatoren (8) und mindestens drei in einer Flucht mit diesen liegenden Bypassleitungen (4) dient, die zu einem gemeinsamen Hauptkatalysator (7) führen.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abgaswalze (9) in der Abgasströmung vor den Katalysatoren (8) liegt.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abgaswalze (9′) in der Abgasströmung hinter den Vorkatalysatoren (8) liegt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vorkatalysatoren (8) so nahe als möglich am Motor (1) angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkatalysatoren (8) an einem gemeinsamen Sammelrohr (3) sit­ zen, das unmittelbar an kurzen Auspuffkrümmern (2) des Motors (1) anliegt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sammelrohr (3, 3′) stirnseitig mit einer Sekundärluftzufuhr (18) versehen ist.

8. Anordnung nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sammelrohr (3) die Abgaswalze (9) angeordnet und mit einem stirnseitig hohlen Wellenstummel (10) versehen ist, durch den die Zufuhr der Sekundärluft (18) erfolgt.