DE4242496C2 - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der EP 0 417 412 ist eine Abgasanlage bekannt, die einen Hauptkatalysator und einen in einem Ringkanal angeordneten Startkatalysator aufweist. Nach dem Start der Brennkraftmaschine wird das Abgas durch Verschließen einer Abgasklappe durch den motornah angeordneten Startkatalysator geleitet. Erst nachdem der Hauptkatalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat wird die Abgasklappe geöffnet. Diese Anordnung weist den Nachteil auf, daß trotz geöffneter Abgasklappe pulsierende Abgase in den Startkatalysator hineingelangen. Da der Startkatalysator motornah angeordnet ist, kann es somit in bestimmten Betriebsbereichen zu einer starken Temperaturerhöhung und dadurch zur Schädigung des Katalysators kommen.
Außerdem ist aus der GB 22 54 803 ein Startkatalysator bekannt, bei dem der in einem Ringkanal angeordnete Katalysatorkörper von der als Zentralkanal ausgebildeten Abgasleitung durchsetzt wird. In der Abgasleitung sind stromauf des Katalysators Anströmöffnungen und stromab des Katalysators Abströmöffnungen eingebracht, wobei die Abgasleitung bei geringer Last durch eine zwischen den Anström- und Abströmöffnungen angeordnete Abgasklappe verschließbar ist. Diese Anordnung weist ebenfalls den Nachteil auf, daß bei hoher Last der Katalysatorkörper trotz geöffneter Abgasklappe durch direkte Wärmeübertragung beschädigt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen mit dem die direkte Wärmeübertragung zwischen Abgasleitung und Katalysatorkörper verringert und dadurch der Startkatalysator vor einer Beschädigung durch Überhitzung geschützt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 oder 4 beziehungsweise 5 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen zeigen.
Durch die Anordnung eines Kühlmantels zwischen der Abgasleitung und dem Katalysatorkörper kann die direkte Wärmeübertragung zwischen Abgasleitung und Katalysatorkörper deutlich reduziert werden. Durch das Einleiten von Kühlluft in den Ringkanal kann außerdem das Eindringen von pulsierenden Abgasen in den Katalysatorkörper bei geöffneter Abgasklappe durch den Gegendruck, den der zusätzliche Kühlluftstrom erzeugt, reduziert werden. Zum anderen wird die Temperatur des Katalysatorkörpers direkt durch die durchströmende Kühlluft gesenkt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5 ermöglicht es, den Hauptkatalysator unabhängig von der Betriebsart der Brennkraftmaschine immer bei einem vorgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis λsoll - vorzugsweise bei λ=1 - zu betreiben und gleichzeitig den Startkatalysator zu kühlen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor. Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Prinzipzeichnung näher beschrieben, wobei
Fig. 1 eine Übersicht über eine Abgasanlage einer Brennkraft­ maschine,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Start­ katalysators mit einem Kühlluftmantel im Schnitt,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit direkt durch den Katalysatorkörper geführter Kühlluft ebenfalls im Schnitt und
Fig. 4 ein Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Abgasanlage gemäß Fig. 3 zeigt.
In Fig. 1 ist die Abgasanlage 1 einer Brennkraftmaschine 2, die eine Ansaugleitung 3 aufweist, dargestellt. Nachdem das Gemisch in der Brennkraftmaschine 2 verbrannt wurde, wird das Abgas über eine Abgasleitung 4 abgeführt. In unmittelbarer Nähe der Brennkraftmaschine 2 ist in der Abgasleitung 4 ein Startkata­ lysator 5 und stromab davon ein Hauptkatalysator 6 angeordnet.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Startkatalysators 5 aus Fig. 1 im Schnitt. Der Startkatalysator 5 enthält einen Ringkanal 7, der koaxial von der Abgasleitung 4 durchsetzt wird und in dem ein Katalysatorkörper 8 vorgesehen ist. Zur Messung der Katalysatortemperatur TK ist im Katalysatorkörper 8 ein Temperatursensor 16 angeordnet. In die Ansaugleitung 4 sind stromauf des Katalysatorkörpers 8 erste, als Anströmöffnungen 9 dienende Ausnehmungen und stromab des Katalysatorkörpers 8 zweite, als Abströmöffnungen 10 dienende Ausnehmungen einge­ bracht. Zwischen den Ausnehmungen 9 und 10 ist in der Abgas­ leitung 4 eine Abgasklappe 11 vorgesehen, die in ihrer Schließstellung die Abgasleitung 4 dichtend verschließt. Der gesamte Startkatalysator 5 wird von einem Gehäuse 12, das stromauf der Anströmöffnungen 9 und stromab der Abströmöff­ nungen 10 mit der Abgasleitung 4 verbunden ist, radial umgeben. Zwischen der Abgasleitung 4 und dem Katalysatorkörper 8 ist außerdem ein Kühlmantel 13 angeordnet, der über einen Zuström­ kanal 14 und einen Abströmkanal 15 mit einem Kühlmedium, bei­ spielsweise Kühlluft oder Kühlwasser, versorgt wird.
Solange der Hauptkatalysator 6 seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, beispielsweise nach dem Start der Brenn­ kraftmaschine 2, wird die Abgasklappe 11 geschlossen. Dadurch muß das Abgas durch die Anströmöffnungen 9 in den Startkataly­ sator 5 strömen, von wo aus es nach dem Durchströmen des Kata­ lysatorkörpers 8 über die Abströmöffnungen 10 wieder in die Abgasleitung 4 zurückgeleitet wird. Um ein schnelles Ansprech­ verhalten des Startkatalysators 5 zu gewährleisten wird dieser kleinvolumig ausgeführt und motornah angeordnet. Nachdem dann der Hauptkatalysator 6 seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird die Abgasklappe 11 geöffnet, so daß das Abgas nun unge­ hindert durch die Abgasleitung 4 abströmen kann. Um zu verhin­ dern, daß während des Betriebs der Brennkraftmaschine 2 heiße Abgase in den Startkatalysator 5 pulsieren, was zu Schädigungen des Katalysatorkörpers 8 führen kann, werden die Ausnehmungen 9, 10 nur so groß ausgeführt, daß ein ausreichender Durch­ strömquerschnitt für den Betrieb des Startkatalysators 5 ge­ währleistet wird. Durch den Kühlmantel 13 kann außerdem eine ausreichende Wärmeisolierung zwischen den heißen Abgasen in der Abgasleitung 4 und dem Katalysatorkörper 8 gewährleistet wer­ den. Dabei ist es denkbar, den Kühlluftstrom m1, der bei­ spielsweise von einer nicht dargestellten Luftpumpe dem Kühl­ mantel 13 zugeführt wird, oder die Kühlwassermenge in Abhän­ gigkeit von der Katalysatortemperatur TK zu erhöhen.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Abgasanlage 1, wobei gegenüber Fig. 1 und 2 gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind. Im Gegensatz zu Fig. 2 wird hier die zusätzliche Kühlluft durch den Zuströmkanal 14 zum Katalysatorkörper 8 und von dort über die Abströmöffnungen 10 in die Abgasleitung 4 geleitet. Durch die zusätzliche Kühlluft kann im Startkatalysator 5 ein ge­ ringer Überdruck aufgebaut werden, so daß das Eindringen von pulsierendem Abgas durch die Ausnehmungen 9, 10 in den Startkatalysator 5 weiter reduziert werden kann. Außerdem trägt die zusätzliche Kühlluft beim Durchströmen des Katalysatorkör­ pers 8 zur Kühlung desselben bei. Die Dosierung der Kühlluft kann beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Dosier­ ventils in Abhängigkeit von Betriebsparametern, vorzugsweise von der Katalysatortemperatur TK, erfolgen.
Da der Hauptkatalysator 6 nur bei einem Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnis von λ=1 optimal arbeitet und da die zusätzlich in die Abgasleitung 4 geführte Kühlluft in diesem Ausführungsbeispiel das Gesamt-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ beeinflußt, ist in diesem Fall eine Anpassung der zur Brennkraftmaschine 2 zuge­ führten Kraftstoffmenge QK in Abhängigkeit von der Kühlluft­ menge m1 notwendig. Fig. 4 zeigt den Ablaufplan eines Verfah­ rens zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Abgasanlage gemäß Fig. 3.
Nach dem Start des Verfahrens in Block 17 wird in Block 18 die Katalysatortemperatur TK und gegebenenfalls noch weitere Be­ triebsparameter erfaßt. In Block 19 wird dann überprüft, ob die Katalysatortemperatur TK einen vorgegebenen Schwellwert TKschwell übersteigt. Ist dies der Fall, so wird im Block 20 die Zufuhr von Kühlluft gestartet, beziehungsweise die zuge­ führte Kühlluftmenge m1 erhöht. Unterschreitet dagegen die Ka­ talysatortemperatur TK den vorgegebenen Schwellwert TKschwell, so wird in Block 21 die Kühlluftmenge m1 reduziert, bezie­ hungsweise die Zufuhr von Kühlluft gestoppt.
Anschließend wird in Block 22 eine zusätzliche Kraftstoffmenge dQK, die notwendig ist, um im Abgas stromab des Startkatalysa­ tors (5) ein vorgegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis λsoll einzustellen, in Abhängigkeit von der zugeführten Kühlluftmenge m1 berechnet. Ist das Dosierventil geschlossen, also wenn keine Kühlluft durch den Startkatalysator 5 geleitet wird, so ist dQK=0. Die so berechnete zusätzliche Kraftstoffmenge dQK wird dann zur Grundkraftstoffmenge dQ, die in bekannter Art und Weise aus der Ansaugluftmenge berechnet wird, addiert und in die Brennkraftmaschine 2 eingespritzt. Anschließend wird zur Fortsetzung des Verfahrens an den Beginn von Block 18 zurück­ verzweigt.
Das beschriebene Verfahren gewährleistet, daß der Startkataly­ sator 5 in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 2 vor einer Überhitzung geschützt wird und daß im Hauptkatalysator 6 unabhängig von der Zufuhr von Kühlluft zum Startkatalysator 5 eine optimale Umsetzung des Abgases bei einem vorgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis λsoll - vorzugsweise λ=1 - statt­ finden kann.
Neben dem hier beschriebenen Verfahren können jedoch auch an­ dere Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Abgasanlage verwendet werden.

Claims (5)

1. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasleitung, in der ein Hauptkatalysator und ein motornah angeordneter Startkatalysator, der von der als Zentralkanal ausgebildeten und mittels einer Abgasklappe verschließbaren Abgasleitung durchströmt wird, angeordnet sind, wobei der Startkatalysator durch einen, den Katalysatorkörper enthaltenden und die Abgasleitung umgebenden Ringkanal gebildet wird, der mittels erster und zweiter Ausnehmungen mit der Abgasleitung in Strömungsverbindung steht, wobei der Katalysatorkörper beziehungsweise die Abgasklappe zwischen den ersten und zweiten Ausnehmungen im Ringkanal beziehungsweise in der Abgasleitung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Abgasleitung (4) und dem Katalysatorkörper (8) ein Kühlmantel (13) vorgesehen ist, der über ein Zuströmkanal (14) mit einem Kühlmedium versorgt wird, das nach Durchströmen des Kühlmantels (13) über einen Abströmkanal (15) abgeführt wird.
2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium Wasser verwendet wird.
3. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium Luft verwendet wird.
4. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasleitung, in der ein Hauptkatalysator und ein motornah angeordneter Startkatalysator, der von der als Zentralkanal ausgebildeten und mittels einer Abgasklappe verschließbaren Abgasleitung durchströmt wird, angeordnet sind, wobei der Startkatalysator durch einen, den Katalysatorkörper enthaltenden und die Abgasleitung umgebenden Ringkanal gebildet wird, der mittels erster und zweiter Ausnehmungen mit der Abgasleitung in Strömungsverbindung steht, wobei der Katalysatorkörper beziehungsweise die Abgasklappe zwischen den ersten und den zweiten Ausnehmungen im Ringkanal beziehungsweise in der Abgasleitung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlluft durch den Ringkanal (7) geleitet wird.
5. Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Temperatur (TK) des Startkatalysators (5) erfaßt wird,
  • - daß bei Erreichen einer vorgegebenen Katalysatortemperaturschwelle (TKschwell) die Katalysatortemperatur (TK) durch dosierte Zugabe von Kühlluft auf diesen Schwellwert (TKschwell) eingeregelt wird und
  • - daß bei Zufuhr von Kühlluft in die Abgasleitung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) des dem Hauptkatalysator (6) zugeführten Abgases durch eine Erhöhung der zur Brennkraftmaschine (2) zugeführten Kraftstoffmenge (QK) um einen Betrag (dQK) auf einen vorgegebenen Sollwert (λsoll) eingestellt wird.
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