DE4208624A1 - Abgasanlage einer brennkraftmaschine mit einem abgaskatalysator und einem brenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage einer Brennkraft­ maschine mit einer sich an ein Abgasrohr anschließenden katalytischen Abgasreinigungsvorrichtung und einem vorge­ schalteten Brenner mit eigener Brennluft- und Brennstoff­ versorgung.

Eine derartige Abgasanlage ist beispielsweise aus der DE- AS 12 99 005 bekannt. Dabei dient der Brenner nicht nur dazu, die Abgase der Brennkraftmaschine nachzuverbrennen und somit die Menge schädlicher Abgasbestandteile zu ver­ ringern, sondern darüber hinaus wird der Brenner auch dazu eingesetzt, die nachgeschaltete katalytische Abgas­ reinigungsvorrichtung schneller auf ihre Betriebstempera­ tur zu bringen. Derartige katalytische Abgasreinigungs- Vorrichtungen benötigen für eine erfolgreiche Konvertie­ rung schädlicher Abgasbestandteile eine sog. Anspringtem­ peratur, die anschließend an einen Kaltstart der Brenn­ kraftmaschine erst nach einer gewissen Zeitspanne er­ reicht wird. Um diese Zeitspanne zu verkürzen, wird wie bekannt der Brenner betrieben, so daß dessen heiße Bren­ nerabgase die katalytische Abgasreinigungsvorrichtung zu­ sätzlich erwärmen.

Bei den bekannten gattungsgemäßen Abgasanlagen werden die Brennkraftmaschinen-Abgase stets vollständig durch den Brenner geführt. In der Erkenntnis, daß dieser Brenner für die Abgasdynamik der Brennkraftmaschine jedoch eine unerwünschte Störstelle bildet - beispielsweise kann eine erforderliche Flammhaltevorrichtung den Strömungswider­ stand unerwünschterweise wesentlich erhöhen - hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, Maßnahmen aufzuzei­ gen, mit Hilfe derer die Strömungsverhältnisse in einer Brennkraftmaschinen-Abgasanlage mit einem Brenner ver­ gleichbar sind mit denen in einer Abgasanlage ohne Bren­ ner.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß der Brenner abseits des das Abgas der Brennkraftmaschine führenden Abgasrohres angeordnet ist und daß im wesentlichen nur die Brennerabgase über ein Brennerrohr in das Abgasrohr eingeleitet werden. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist somit der eigentliche Brenner mit seinen grundlegenden Elementen wie einer beispielsweise nahe einer Flammhaltevorrichtung mündenden Brennluft- und Brennstoffversorgung sowie einer Zündvorrichtung für das zündfähige Brennstoff-Luft-Gemisch im wesentlichen neben dem Brennkraftmaschinen-Abgasrohr angeordnet. Die Strö­ mung der Brennkraftmaschinenabgase in diesem Abgasrohr bleibt somit vom eigentlichen Brenner zumindest bei Nichtbetrieb desselben im wesentlichen unbeeinflußt. Le­ diglich die gewünschten Vorteile des Brenners werden ge­ nutzt, indem die bei Brennerbetrieb entstehenden heißen Brennerabgase in das Brennkraftmaschinen-Abgasrohr einge­ leitet werden. Diese heißen Brennerabgase bewirken dann zum einen, daß die dem Abgasrohr nachgeschaltete kataly­ tische Abgasreinigungsvorrichtung intensiver erwärmt wird und somit anschließend an einen Kaltstart der Brennkraft­ maschine binnen einer kürzeren Zeitspanne ihre Anspring­ temperatur erreicht. Zum anderen wirkt das Abgasrohr bei Betrieb des Brenners im Bereich zwischen der Einleitung der heißen Brennerabgase sowie der nachgeschalteten kata­ lytischen Abgasreinigungsvorrichtung als an sich bekann­ ter thermischer Reaktor. Dies bedeutet, daß in diesem Be­ reich des Abgasrohres unter Einfluß der heißen Brennerab­ gase im Abgasstrom der Brennkraftmaschine gewünschte Nachreaktionen stattfinden können, die nichts anderes darstellen als eine weitere Nachverbrennung noch brennba­ rer Bestandteile des Brennkraftmaschinenabgases. Dieser thermische Reaktor wird dabei zumeist als sog. Mager-Re­ aktor betrieben. Dies ergibt sich dabei durch die Zusam­ mensetzung des Gemisches im Brenner und der Brennkraftma­ schine, d. h. durch das Luft-Brennstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine bzw. dem Brenner zugeführten Gemi­ sches. Bevorzugt wird der Brenner generell mit einem an­ nähernd konstanten Luft-Brennstoff-Verhältnis im Bereich von 1,4 bis 1,7 betrieben, während die Brennkraftmaschine anschließend an einen Kaltstart zumeist mit unterstöchio­ metrischem Gemisch versorgt wird.

Die Einströmverhältnisse der Brennerabgase in das Abgas­ rohr werden verbessert sowie die Vermischung zwischen den Brennerabgasen sowie den Brennkraftmaschinenabgasen im Sinne einer gesteigerten thermischen Reaktion optimiert, wenn das Brennerrohr annähernd tangential in das Abgas­ rohr mündet. Dabei kann das Brennerrohr und/oder das Ab­ gasrohr in oder stromauf dieses Mündungsbereiches zumin­ dest teilweise gebogen ausgebildet sein, um einen ge­ wünschten Drall zu erzielen, der einer verbesserten Ver­ wirbelung zwischen den Brennerabgasen und den Brennkraft­ maschinenabgasen förderlich ist. Ferner kann das Brenner­ rohr bei einer Abgasanlage mit mehreren hintereinander angeordneten Katalysatorkörpern stromab des ersten, der Brennkraftmaschine zugewandten Katalysatorkörpers in das Abgasrohr münden, um den ersten Körper, der oftmals thermisch gealtert ist, zu umgehen. Nach längerer Be­ triebsdauer der Brennkraftmaschinen-Abgasanlage verliert nämlich der erste, der Brennkraftmascine zugewandte Katalysatorkörper teilweise durch Verschmutzung aber auch durch thermische Einflüsse an Wirksamkeit. Daraus ent­ stehende Nachteile bezüglich der Aufheizung des Katalysatorkörpers werden umgangen, wenn - wie vor­ geschlagen - das Brennerrohr erst stromab dieses ge­ alterten Körpers in die Abgasanlage mündet.

Vorteilhaft kann es sein, wenn stromauf des Brenners eine weitere Lufteinblasung in das Brennkraftmaschinen-Abgas­ rohr vorgesehen ist. Hiermit ist es möglich, für den oben beschriebenen, stromab des Brenners liegenden thermischen Reaktor einen ausreichenden Sauerstoffüberschuß zur Ver­ fügung zu stellen, ohne hierbei Einschränkungen im Hin­ blick auf den Brennerbetrieb in Kauf nehmen zu müssen. Vielmehr ist es somit möglich, den Brenner mit einem op­ timalen Luft-Brennstoff-Verhältnis zu betreiben und unab­ hängig davon zusätzlich Sauerstoff für die thermische Nachverbrennung des Brennkraftmaschinenabgases zur Verfü­ gung zu stellen und zusätzlich aufgrund der größeren Luftmasse eine schnellere Durchwärmung des Katalysators zu ermöglichen, wobei aufgrund der Lufteinblasung strom­ auf des Brenners eine optimale Durchmischung des Brenn­ kraftmaschinenabgases mit dem zusätzlichen Sauerstoff be­ reits vor Einleitung der Brennerabgase erreicht werden kann. Dabei kann sowohl die Zusatzlufteinblasung als auch die Versorgung des Brenners mit Brennluft über jeweils ein separates Gebläse erfolgen, es ist aber auch möglich, diese beiden Luftströme mittels eines einzigen Gebläses zu fördern. Dieses Gebläse bzw. die ggf. mehrfach vorhan­ denen Gebläse können dabei in ihrer Förderleistung den jeweiligen Anforderungen entsprechend stufenlos oder stu­ fenweise regelbar sein. Ebenso ist es möglich, den dem Brenner zugeführten Brennstoffmassenstrom den jeweiligen Erfordernissen entsprechend regelbar zuzuführen. Weiterhin kann im Sinne einer optimalen Vermischung zwischen der zusätzlich eingeblasenen Luftmenge sowie dem Brennkraft­ maschinen-Abgasstrom auch diese weitere Lufteinblasung über eine annähernd tangential in das Abgasrohr mündende Einblaseleitung erfolgen. Dies sowie weitere Vorteile der Erfindung werden auch aus der folgenden Erläuterung eines lediglich in einer Prinzipskizze (Fig. 1) dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels ersichtlich.

Die Abgase einer Brennkraftmaschine 1 gelangen über ein Abgasrohr 2 in eine katalytische Abgasreinigungsvorrich­ tung 3 und von dieser aus über einen nicht gezeigten Schalldämpfer gemäß Pfeilrichtung 4 schließlich in die Umgebung. Um eine übermäßige Schadstoffemission an­ schließend an einen Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 bei noch kalter und daher im wesentlichen unwirksamen ka­ talytischer Abgasreinigungsvorrichtung 3 zu vermeiden, ist ein Brenner 5 vorgesehen, dessen Abgase über ein Brennerrohr 6 in das Abgasrohr 2 eingeleitet werden. Der Brenner 5 besitzt eine eigene Brennstoffversorgung 7, die allgemein durch eine Zufuhrleitung dargestellt ist, sowie eine eigene Brennluftversorgung 8, in der ein Regelorgan 8a vorgesehen ist und die sich an ein Gebläse 9 an­ schließt. Ebenfalls vom Gebläse 9 versorgt wird eine Ein­ blaseleitung 10, über die stromauf des Brenners 5, d. h. zwischen der Mündung des Brennerrohres 6 und der Brenn­ kraftmaschine 1 zusätzlich Luft in das Abgasrohr 2 einge­ blasen werden kann.

Nach längerem Betrieb der Brennkraftmaschine 1, wenn so­ mit die katalytische Abgasreinigungsvorrichtung 3 ihre Betriebstemperatur erreicht hat, werden die schädlichen Abgasbestandteile in dieser katalytischen Abgasreini­ gungsvorrichtung 3 oxydiert bzw. reduziert und somit in im wesentlichen unschädliche Komponenten umgewandelt. In diesem Dauerbetriebsfall wird der Brenner 5 sowie das Ge­ bläse 9 nicht betrieben, so daß diese Aggregate insbeson­ dere auch aufgrund ihrer Anordnung abseits des eigentli­ chen Abgasrohres 2 keine Störstellen für die Strömungsdy­ namik der Brennkraftmaschinen-Abgase im Abgasrohr 2 dar­ stellen. Im Anschluß an einen Kaltstart der Brennkraftma­ schine kann jedoch bei noch kalter Abgasreinigungsvor­ richtung 3 in dieser keine bzw. kaum eine Schadstoffum­ wandlung erfolgen. In diesem Falle wird somit der Brenner 5 in Betrieb genommen. Dabei gelangen die heißen Bren­ nerabgase über das Brennerrohr 6 zusätzlich in das Abgas­ rohr 2 und verursachen dort - da die Brennkraftmaschine in diesem Betriebszustand im allgemeinen unter­ stöchiometrisch betrieben wird und somit im Brennkraft­ maschinenabgas noch unverbrannte Kohlenwasserstoffe ent­ halten sind - eine thermische Nachreaktion der Brenn­ kraftmaschinenabgase. Das Abgasrohr 2 stellt somit im Be­ reich zwischen der Einmündung des Brennerrohres 6 sowie der katalytischen Abgasreinigungsvorrichtung 3 einen thermischen Reaktor dar, der im wesentlichen dadurch ge­ bildet wird, daß zwischen dem Brenner 5 sowie der katalytischen Abgasreinigungsvorrichtung 3 überhaupt ein Abgasrohr-Abschnitt liegt, d. h., daß der Brenner 5 ein Stück weit stromauf der katalytischen Abgasreinigungs­ vorrichtung 3 angeordnet ist. Diese Anordnung hat darüber hinaus den weiteren Vorteil, daß der Brenner 5 wie ge­ wünscht mit maximaler Brennerleistung betrieben werden kann, ohne daß dabei die katalytische Beschichtung der katalytischen Abgasreinigungsvorrichtung 3 Schaden nehmen würde. Im übrigen wirkt der Brenner 5 neben dem ge­ schilderten Effekt der Nachverbrennung der Brennkraft­ maschinenabgase auch insofern vorteilhaft, als durch den zusätzlichen vom Brenner 5 bereitgestellten Wärmestrom die katalytische Abgasreinigungsvorrichtung 3 binnen einer kürzeren Zeitspanne ihre Anspringtemperatur bzw. optimale Betriebstemperatur erreicht. Mit Erreichen der­ selben kann der Brenner 5 abgeschaltet werden.

Besonders effektiv erfolgt die Nachverbrennung der Brenn­ kraftmaschinenabgase im sog. thermischen Reaktor, d. h. im Abgasrohr 2 stromab des Brenners 5 dann, wenn in die­ sem Reaktor für einen ausreichenden Sauerstoffüberschuß gesorgt ist. Um dies zu gewährleisten, ohne gleichzeitig Einbußen im Hinblick auf die Brenncharakteristik des Brenners 5 hinnehmen zu müssen, ist stromauf des Brenners die weitere Lufteinblasung in das Abgasrohr 2 über die Einblaseleitung 10 vorgesehen. Diese Lufteinblasung er­ folgt annähernd tangential, wie der unterhalb der Mün­ dungsstelle der Einblaseleitung 10 dargestellte Teil­ schnitt A-A zeigt. Hierdurch kann sich das Brennkraftma­ schinenabgas mit der zusätzlich eingeblasenen Luftmenge bereits vor der Zufuhr des zusätzlichen Brennerabgases bereits optimal vermischen. Im übrigen mündet auch das das Brennerabgas zuführende Brennerrohr 6 annähernd tan­ gential in das Abgasrohr 2, um auch an dieser Stelle eine optimale Vermischung der beiden Gasströme zu erreichen.

Fig. 2 zeigt in einer Diagrammdarstellung über der Zeit­ achse t den in Versuchen optimierten Massenstrom m von Brennluft 8′ und von Zusatzluft 10′, die über die Einbla­ seleitung 10 zugeführt wird. Ausgehend von einem Kalt­ start der Brennkraftmaschine 1 ab dem Zeitpunkt t₁ wird zumindest solange ein konstanter Brennluftstrom 8′ in den Brenner 5 gefördert, bis die katalytische Abgas­ reinigungsvorrichtung 3 ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Für eine gewisse weitere Zeitspanne bis zum Zeit­ punkt t₂ erfolgt sowohl über die Brennluftversorgung 8 als auch über die Einblaseleitung 10 eine weitere Luft­ zufuhr, um die katalytische Oxidation sicher aufrecht­ zuerhalten. Der Zusatzluftstrom 10′ hingegen ist während dieser Zeitspanne nicht konstant und wurde in diesem Ver­ such im wesentlichen an die jeweilige Gemischzusammen­ setzung der Brennkraftmaschine 1 angepaßt, sowie im Hin­ blick auf eine schnelle Katalysatordurchwärmung optimiert. Da jedoch in diesem Ausführungsbeispiel sowohl der Brennluftstrom 8′ als auch der Zusatzluftstrom 10′ von einem einzigen gemeinsamen Gebläse 9 gefördert werden, ist in der Brennluftversorgung 8 des Brenners 5 das Regelorgan 8a vorgesehen, mit dem der Brennluftstrom 8′ trotz unterschiedlicher und an den gewünschten Zusatz­ luftstrom 10′ angepaßter Gebläseleistung wie gewünscht eingestellt werden kann. Alternativ könnte selbstver­ ständlich der Brennluftstrom 8′ sowie der Zusatzluftstrom 10′ jeweils von einem eigenständigen Gebläse gefördert werden.

Die Fig. 3a, 3b zeigen eine weitere Abwandlung. Hier­ bei besteht die Katalysatoranlage aus zwei Katalysator­ körpern 11a, 11b. Das Brennerrohr 6 mündet stromab des ersten Katalysatorkörpers 11a in das auch in diesem Fall mit der Bezugsziffer 2 bezeichnete Abgasrohr. Hierdurch wirken die Abgase des Brenners 5 direkt auf einen auch bei gealterten gesamten Katalysator noch wirksamen Katalysatorkörper 11b. Nicht gezeigt ist eine weitere Lufteinblasung, die selbstverständlich vorhanden sein kann und bevorzugt abermals stromauf des ersten Katalysatorkörpers 11a mündet. Darüber hinaus sind noch eine Vielzahl von Änderungen gegenüber den gezeigten Ausführungsbeispielen möglich, die weiterhin unter den Inhalt der Patentansprüche fallen.

Claims (6)

1. Abgasanlage einer Brennkraftmaschine (1) mit einer sich an ein Abgasrohr (2) anschließenden katalyti­ schen Abgasreinigungsvorrichtung (3) und einem vor­ geschalteten Brenner (5) mit eigener Brennluftver­ sorgung (8) und Brennstoffversorgung (7), dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (5) abseits des das Abgas der Brennkraftmaschine (1) führenden Abgasrohres (2) angeordnet ist und daß im wesentli­ chen nur die Brennerabgase über ein Brennerrohr (6) in das Abgasrohr (2) eingeleitet werden.

2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (6) an­ nähernd tangential in das Abgasrohr (2) mündet.

3. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, mit zumindest zwei hintereinander angeordneten Katalysatorkörpern (11a, 11b), dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (6) stromab des ersten, der Brennkraftmaschine (1) zuge­ wandten Katalysatorkörpers (11a) in das Abgasrohr (2) mündet.

4. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf des Brenners (5) eine weitere Lufteinblasung in das Abgasrohr (2) vorgesehen ist.

5. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den Brenner und/oder für die weitere Lufteinblasung ein Gebläse (9) zur Luftförderung vorgesehen ist.

6. Abgasanlage nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Lufteinbla­ sung über eine annähernd tangential in das Abgasrohr (2) mündende, vom Brenner-Gebläse (9) versorgte Ein­ blaseleitung (10) erfolgt.