DE4218834A1 - Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Um die schädlichen Bestandteile der Abgase von Verbren­ nungsmotoren zu reduzieren, werden die Abgase in Kataly­ satoren konvertiert. Solche Katalysatoren arbeiten jedoch nur in einem bestimmten Temperaturbereich wirkungsvoll. Insbesondere bei Kraftfahrzeugen sind daher Vorkehrungen erforderlich, um nach dem Kaltstart des Verbrennungsmo­ tors den Katalysator schnell auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Andererseits muß sichergestellt sein, daß auch bei längerem Vollastbetrieb der Katalysator nicht überhitzt wird, da er dadurch zerstört werden kann.

Nach der DE-OS 34 39 998 ist es bekannt, bei einer Abgas­ anlage für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraft­ fahrzeuges zwei Zuleitungen vom Motor zum Katalysator vorzusehen, wobei die Abgasleitungen derart ausgebildet sind, daß die Wärmeverluste der heißen Abgase in den ver­ schiedenen Zuleitungen unterschiedlich sind, indem die Zuleitungen sich in ihrer Länge unterscheiden bzw. unter­ schiedlich wärmeisoliert sind oder in unterschiedlichem Maß außengekühlt sind und damit unterschiedliche Wärme­ mengen an die Umgebung abgeben, bevor die darin geführten Abgase den Katalysator erreichen.

Absperrvorrichtungen, welche die eine oder die andere Zu­ leitung in Abhängigkeit von der Abgastemperatur am Kata­ lysator öffnen oder schließen, sollen dafür sorgen, daß der Katalysator beim Startvorgang nur mit dem wärmeren Abgas beschickt wird.

Die Unterbringung einer zweiten längeren Zuleitung neben der ersten kürzeren Zuleitung schafft bei einem Kraft­ fahrzeug jedoch erhebliche Probleme, weil der dafür zur Verfügung stehende Raum eng bemessen ist. Eine Wärmeiso­ lierung an zumindest einer der Zuleitungen oder eine dif­ ferenzierte Außenkühlung der Zuleitung ist kostenaufwen­ dig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor mit einem Katalysator zu schaffen, bei dem gleichfalls zwei Zuleitungen von der Verbrennungs­ kraftmaschine zum Katalysator mit unterschiedlichen Wär­ meverlusten vorgesehen sind und eine Absperreinrichtung die Aufteilung der Abgasmenge auf die Zuleitungen ein­ stellt, wobei aber beide Zuleitungen gleich lang sein können und keine zusätzlichen kostenaufwendigen Wärmeiso­ lierungen oder Außenkühlungen erforderlich sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sich die Zuleitungen in ihrem Querschnitt unterscheiden, wobei die eine der beiden Zuleitungen bei kaltem Kataly­ sator das Abgas allein führen kann.

Diese eine Zuleitung ist vorzugsweise die Zuleitung mit dem geringeren Querschnitt.

Durch diese Maßnahme wird das Abgas dem noch kalten Kata­ lysator in relativ ungekühltem Zustand zugeleitet, da es durch den geringen Querschnitt der bereitgestellten Zu­ leitung schneller transportiert wird, als dies durch den Gesamtquerschnitt der Abgasanlage erfolgen würde. Infolge der dadurch geringeren Verweildauer des Abgases in der engeren Zuleitung kann es auch nur wenig Wärme an das die Zuleitung bildende Rohr und damit an die Umgebung abge­ ben. Somit wird die dem Abgas innewohnende Wärme in hohem Maße auf den Katalysator übertragen und der Katalysator wird schnell auf seine Betriebstemperatur gebracht. Hat er diese erreicht, dann wird zunehmend die Absperrein­ richtung geöffnet und das Abgas wird sowohl durch die Zu­ leitung mit dem engeren Querschnitt als auch durch die Zuleitung mit dem größeren Querschnitt dem Katalysator zugeführt. Infolge des dadurch insgesamt größer werdenden Leitungsquerschnitts wird auch die Strömungsgeschwindig­ keit des Abgases geringer, d. h. die Verweildauer wird länger. Das Abgas kühlt dabei auf einen Wert ab, der ein Zerstören des Katalysators bei Vollastbetrieb aus­ schließt.

Wird während der Anwärmphase eine erhöhte der Vollast na­ hekommende Motorleistung gefordert, dann wird zusammen mit der Leistungsregelung auch die Absperreinrichtung für die Zuleitung des Abgases mit dem größeren Querschnitt zunehmend geöffnet. Damit steht im Bedarfsfalle auch bei kaltem Katalysator die volle Motorleistung zur Verfügung.

Die Querschnitte der beiden Zuleitungen sind vorteilhaf­ terweise so bemessen, daß bei Vollast der Verbrennungs­ kraftmaschine die Querschnitte beider Zuleitungen zur Ab­ gasführung herangezogen sind. Damit kann gegenüber einer bekannten Abgasleitung mit einem Startkatalysator, wie sie z. B. mit EP-Schrift 0 355 489 beschrieben ist und bei der ebenfalls zwei Zuleitungen mit unterschiedlichem Querschnitt Verwendung finden, das eingesetzte Material besser ausgenutzt werden. Es muß nicht eine einzelne Ab­ gasleitung so groß dimensioniert werden, daß sie die ma­ ximale Abgasmenge transportieren kann, sondern die Summe beider Querschnitte bildet die maximal wirksame Abgaslei­ tung. Dadurch kann Material und Gewicht eingespart wer­ den.

Die zur Regelung einer optimalen Gemischzusammensetzung erforderliche Lambdasonde kann bei der erfindungsgemäßen Abgasanlage vorteilhaft in Strömungsrichtung des Abgases vor der Abzweigung der Zuleitung mit dem geringeren Quer­ schnitt von der Zuleitung mit dem größeren Querschnitt angeordnet sein.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung er­ gibt sich bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern, bei denen das Abgas von jeweils zwei Gruppen von Zylin­ dern zusammengefaßt wird und die so gebildeten zwei ho­ senartigen Abgasrohre stromabwärts zu einem gemeinsamen Abgasrohr zusammengeführt sind und zwischen den hosenar­ tigen Abgasrohren zur Verbesserung des Schwingungsverhal­ tens der Abgassäule ein Verbindungsrohr vorgesehen ist. Hier kann die Zuleitung mit dem geringeren Querschnitt von einem Rohr gebildet sein, welches von dem Verbin­ dungsrohr zwischen den hosenartigen Abgasrohren ausgeht und zum Katalysator führt. Die Zuleitung mit dem größeren Querschnitt ist dann gebildet von dem Rohr, welches als gemeinsames Abgasrohr die zwei hosenartigen Abgasrohre zusammenführt. In diesem gemeinsamen Abgasrohr ist auch die Absperreinrichtung enthalten. Wenn diese geöffnet ist, dann sind sowohl die Zuleitung mit dem größeren Querschnitt als auch die Zuleitungen mit dem kleineren Querschnitt für die Abgasableitung wirksam. Die Lambda­ sonde ist dann vorteilhaft am Verbindungsrohr angeordnet, wo sie bereits beim Kaltstart mit gut temperiertem Abgas umspült wird.

Während der Zeit, in der die Zuleitung mit dem kleineren Querschnitt vorrangig das Abgas ableitet und der Kataly­ sator gleichzeitig noch nicht seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird durch den Rückdruck infolge des gerin­ gen Querschnitts eine indirekte Abgasrückführung erzielt. Diese reduziert den NO_x-Anteil im Abgas während der Zeit, in der der Katalysator noch nicht bzw. noch nicht voll­ ständig arbeitet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an­ hand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Schema einer erfindungsgemäßen Abgas­ anlage;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Abgasanlage an einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine, bei wel­ cher die Abgasrohre als einfache Linienzü­ ge dargestellt sind.

Ein Verbrennungsmotor 1 arbeitet zusammen mit einem Kata­ lysator 2, welcher für die Konvertierung der Abgase vor­ gesehen ist. Am Zylinderkopf 3 des Verbrennungsmotors l ist ein Auspuffkrümmer 4 befestigt, der für jeden Zylin­ der der Verbrennungskraftmaschine ein Krümmerrohr 5, 51, 52, 53, 54 aufweist. Von den Krümmerrohren 5, 51, 52, 53, 54 führen die Zuleitung 6 und eine weitere Zuleitung 7 zum Katalysator 2, wobei die Zuleitung 6 einen größeren Querschnitt als die Zuleitung 7 aufweist. Im Verlauf der Zuleitung 6 befindet sich eine Absperreinrichtung 8, mit welcher der Durchlaß der Zuleitung 6 gedrosselt bzw. ge­ sperrt werden kann. Die Absperreinrichtung 8 wirkt dabei zusammen mit einem Temperatursensor 9 im Katalysator 2, welcher bei einer Temperatur, die unterhalb der Reakti­ onstemperatur des Katalysators 2 liegt, die Absperrein­ richtung 8 geschlossen hält. Bei hoher Lastanforderung an die Verbrennungskraftmaschine 1 bei noch kaltem Katalysa­ tor 2 wird diese Regelung so beeinflußt, daß dann die Ab­ sperreinrichtung 8 durch eine geeignete Ansteuerung ge­ öffnet wird, um deren Drosselwirkung auf die Brennkraft­ maschine 1 aufzuheben. Die dabei anfallende größere Ab­ gasmenge gegenüber dem bei kalter Brennkraftmaschine 1 üblichen Teillastbetrieb wirkt jedoch auch beschleunigend auf die Erwärmung des Katalysators 2. Bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen, z. B. bei Vierzylindermotoren, sind im allgemeinen die Krümmerrohre 51, 52, 53, 54 gruppen­ weise zusammengefaßt, wie dies Fig. 2 darstellt. Die so gebildeten zwei hosenartigen Abgasrohre 10 vereinigen sich zu der Zuleitung 6. Zwischen den zwei Abgasrohren 10 ist in bekannter Weise ein Verbindungsrohr 11 vorgesehen, welches das Schwingungsverhalten der Abgassäule positiv beeinflußt. Von diesem Verbindungsrohr 11 geht in diesem Falle die Zuleitung 7 aus, welche die Absperreinrichtung 8 umgeht und direkt zum Katalysator 2 führt. Eine Lambda­ sonde 12 ist in Strömungsrichtung des Abgas es vor der Verzweigung der Zuleitungen 6 und 7 angeordnet. Damit wird die Lambdasonde 12 bei jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 von dem zu messenden Abgas umströmt. Bei einer für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine 1 ausgelegten Abgasanlage ist die Lambdasonde 12 vorteil­ haft in dem Verbindungsrohr 11 angeordnet, wie dies auch Fig. 2 darstellt.

Claims (7)

1. Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor mit einem Katalysator zur Aufbereitung der schädlichen Be­ standteile des Abgases, wobei zwei Zuleitungen von der Verbrennungskraftmaschine zum Katalysator vorge­ sehen sind, die Wärmeverluste der heißen Abgase in den beiden Zuleitungen unterschiedlich sind und daß eine Absperreinrichtung vorgesehen ist, welche die Aufteilung der Abgase auf die Zuleitungen einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zuleitungen (6, 7) in ihrem Querschnitt unterscheiden, wobei die eine Zuleitung (7) bei kaltem Katalysator (2) das Abgas allein führen kann.

2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden Zuleitungen (6, 7), welche bei kaltem Katalysator (2) das Abgas allein führt, die Zuleitung (7) mit dem geringeren Querschnitt ist.

3. Abgasanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Überschreiten einer vorgegebenen Lastgrenze der Verbrennungskraftmaschine (1) das Ab­ gas sowohl über die Zuleitung (7) mit geringem Quer­ schnitt als auch zunehmend über die Zuleitung (6) mit dem größeren Querschnitt geführt ist.

4. Abgasanlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators (2) das Abgas sowohl über die Zu­ leitung (7) mit geringem Querschnitt als auch über die Zuleitung (6) mit dem größeren Querschnitt ge­ führt ist.

5. Abgasanlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine zur Regelung der Gemischzusammen­ setzung vorgesehene Lambdasonde (12) in Strömungs­ richtung des Abgases von der Abzweigung der Zulei­ tung (7) mit dem geringeren Querschnitt von der Zu­ leitung (6) mit dem größeren Querschnitt angeordnet ist.

6. Abgasanlage nach den Ansprüchen 1 bis 5, bei welcher von mehreren Zylindern einer Brennkraftmaschine je­ weils das Abgas von zwei Gruppen von Zylindern zu­ sammengeführt wird und die dadurch gebildeten zwei hosenartigen Abgasrohre stromabwärts zu einem ge­ meinsamen Abgasrohr zusammengeführt sind und zu ei­ nem Katalysator führen, wobei in an sich bekannter Weise zum Zwecke des Schwingungsausgleichs der Gas­ säulen zwischen den hosenartigen Abgasrohren ein Verbindungsrohr vorgesehen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zuleitung (7) mit dem geringeren Quer­ schnitt von einem Rohr gebildet ist, welches von dem Verbindungsrohr (11) ausgehend zum Katalysator (2) führt, während die Zuleitung (6) mit dem größeren Querschnitt vom gemeinsamen Abgasrohr gebildet ist, welches in seinem Verlauf die Absperreinrichtung (8) enthält und daß die Lambdasonde (12) am Verbindungs­ rohr (11) angeordnet ist.

7. Abgasanlage nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Absperreinrichtung in an sich bekannter Weise über einen Abgastemperatursensor (9) am Katalysator (2) gesteuert oder geregelt ist.