DE4311904A1 - Vorrichtung an einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung an einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und Abgasentgiftung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Brennkraftmaschinen mit Abgasentgiftung mit einem Katalysator ist die schnelle Erreichung der Anspringtemperatur des Katalysators ein wichtiges Kriterium im Kaltfahrbetrieb zur weitgehenden Vermeidung schädlicher Abgasemissionen. Unter anderem wurde bereits vorgeschla­ gen, durch steuerbare Mittel in der Abgasleitung im Kaltfahrbereich nur einen Teilbereich des Katalysators oder einen Vorkatalysator kleineren Querschnittes zu beaufschlagen und nach Erwärmung der Brennkraftmaschine und/oder des Katalysators umzuschalten auf den gesamten Katalysatorkomplex.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine baulich einfache und wirksame Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung vor­ zuschlagen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentan­ spruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen entnehmbar.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Bypassleitung und die Abgas­ leitung separat zuführen und getrennte Katalysatorbereiche zu beauf­ schlagen. Damit wird das für die Regelung des Ladedruckes der Brenn­ kraftmaschine vorgesehene Abblasventil zugleich dazu herangezogen, das Abgas zu den getrennten Katalysatorbereichen zu steuern. Dabei können die getrennten Katalysatorbereiche entweder durch zwei separa­ te Katalysatoren geringeren Druchströmquerschnittes oder durch ge­ trennte Bereiche eines Katalysators gebildet sein. Da bei kalter Brennkraftmaschine in der Regel nicht deren volle Leistung abgenommen wird, wird das Abgas ohne Ansprechen des Abblasventiles der Abgastur­ bine und danach dem einen Katalysatorbereich zugeführt, so daß sich dieser wesentlich schneller erwärmen kann und damit die Anspringtempe­ ratur schneller erreicht.

In Weiterbildung der Erfindung kann jedoch die Öffnungscharakteristik des Abblasventiles bei kalter Brennkraftmaschine so eingestellt sein, daß das Abblasventil entweder unabhängig vom Ladedruck geschlossen bleibt oder aber daß zusätzlich zur Vermeidung eines zu hohen Lade­ druckes ein Umluftventil vorgesehen ist, welches einen Verdichter­ kurzschluß steuert. Damit kann eine noch schnellere Aufheizung des einen Katalysatorbereiches, der über die Abgasturbine und die Abgas­ leitung mit dem gesamten Abgas beaufschlagt wird, erreicht werden.

Bevorzugt kann bei Verwendung eines Katalysators dessen in Strömungs­ richtung gesehen zentraler Bereich im Kaltfahrbetrieb vorrangig be­ aufschlagt werden. Ferner kann die diesen Bereich beaufschlagende Abgasleitung konzentrisch innerhalb der Bypassleitung verlaufen und können die getrennt beaufschlagten Bereiche des Katalysators isoliert zueinander sein. Diese Maßnahmen stellen sicher, daß bei geringer unerwünschter Wärmeabstrahlung an die Atmosphäre eine schnelle Auf­ heizung des Katalysatorbereiches durch die heißen Abgase erfolgt. Die Isolierung sowohl zwischen der Abgasleitung und der Bypassleitung als auch der beiden Katalysatorbereiche voneinander ist bevorzugt durch Luftspalte gebildet.

Um eine schnelle Aufheizung des einen vorrangigen Katalysatorberei­ ches und eine spätere gleichmäßige Beaufschlagung der beiden Kataly­ satorbereiche sicherzustellen, wird zudem vorgeschlagen, daß das Schluckvermögen der Abgasturbine ca. 40-60% der max. Abgasmenge der Brennkraftmaschine beträgt und daß das Verhältnis der Durchström­ querschnitte der beiden Katalysatorbereiche ebenfalls in diesem Be­ reich liegt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt eine Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und Abgasentgiftung mittels eines Katalysators.

Eine nur teilweise angedeutete Hubkolben-Vierzylinder-Brennkraftma­ schine 10 weist abgasseitig einen Abgaskrümmer 12 auf, der über eine Leitung 14 mit der Abgasturbine 16 eines Abgasturboladers 18 verbun­ den ist. Die nicht dargestellte Abgasturbine 16 treibt in bekannter Weise eine Verdichterstufe 19 an, die von einer Ansaugleitung 20 Verbrennungsluft ansaugt und in eine Ladeluftleitung 22 fördert. Die Ladeluftleitung 22 ist in nicht dargestellter Weise mit dem Ansaug­ verteiler der Brennkraftmaschine 10 verbunden.

Von der Abgasturbine 16 geht eine Abgasleitung 24 ab, die einen zen­ tralen Katalysatorbereich 26 eines Katalysators 28 beaufschlagt. Um den Katalysatorbereich 26 herum ist ringförmig ein weiterer Katalysa­ torbereich 30 vorgesehen, der mit einer Bypassleitung 32 korrespon­ diert. Die Bypassleitung 32 ist konzentrisch zur Abgasleitung 24 angeordnet und mündet über einen abgewinkelten Abschnitt 34 in die stromauf der Abgasturbine 16 liegende Abgasleitung 14.

Im Mündungsbereich des Abschnittes 34 der Abgasleitung 32 in die Abgasleitung 14 ist ein Abblasventil 36 angeordnet, dessen bewegli­ cher Ventilkegel 38 die Bypassleitung 32 auf- bzw. zusteuert.

Das elektromagnetische Stellelement 40 des Abblasventiles 36 ist mit einem Steuergerät 42 verbunden, welches nach Maßgabe motorspezifi­ scher Parameter wie Drehzahl n, Last α und Ladedruck P das Abblasven­ til 36 steuert. Ferner ist das Steuergerät 42 mit einem Temperatur­ sensor 44 verbunden, der die Temperatur T des Abgases stromab des Katalysatorbereiches 26 erfaßt. Das Steuergerät 42 steuert ferner ein Umluftventil 46, welches in einer Kurzschlußleitung 48 zwischen der Ladeluftleitung 22 und der Ansaugleitung 20 angeordnet ist.

Die Abgasturbine 16 ist so ausgelegt, daß sie etwa 50% der max. möglichen Abgasmenge der Brennkraftmaschine 10 im Betriebskennfeld aufnehmen kann und dabei den vollen Ladedruck erzeugt. Das Verhältnis der Querschnittsflächen zwischen dem Katalysatorbereich 26 und dem Katalysatorbereich 30 ist 1 : 1.

Wird die Brennkraftmaschine 10 im kalten Zustand gestartet, so bleibt unabhängig vom Abgasdurchsatz das Abblasventil 36 desaktiviert, so daß die gesamte Abgasmenge über die Abgasturbine 16 und die Abgaslei­ tung 24 dem Katalysatorbereich 26 zugeführt wird. Dieser Zustand hält an, so lange über den Temperatursensor 44 dem Steuergerät 42 signal­ isiert wird, daß die Anspringtemperatur des Katalysators 28 noch nicht erreicht ist.

Sollte in diesem Kaltfahrbetrieb über das Sensorsignal P ein übermä­ ßiger Anstieg des Ladedruckes angezeigt werden, so wird über das Steuergerät 42 das Umluftventil 46 angesteuert und damit eine Verbin­ dung zwischen der Ladeluftleitung 22 und der Ansaugleitung 20 herge­ stellt bzw. die Verdichterstufe 19 kurzgeschlossen.

Das von der Brennkraftmaschine 10 abgegebene heiße Abgas beaufschlagt mit relativ geringer Abkühlung den Katalysatorbereich 26, weil unter anderem sowohl eine Isolierung der Abgasleitung 24 durch die im Durchmesser größere, außenliegende Bypassleitung 32 vorliegt und weil innerhalb des Katalysators 28 die beiden Katalysatorbereiche 26, 30 über einen stirnseitig geschlossenen, ringförmigen Luftspalt 50 von­ einander isoliert sind.

Erreicht der Katalysator 28 bzw. dessen Bereich 26 die Anspringtempe­ ratur von z. B. 300°C oder alternativ über einen Temperaturfühler an der Brennkraftmaschine 10 diese ihre Betriebstemperatur, so schaltet das Steuergerät 42 von Kaltfahrbetrieb auf Normalbetrieb um und es erfolgt die weitere Regelung des Ladedruckes in der Ladeluftleitung 22 über das Abblasventil 36, wobei dieses bei einer 50% der max. möglichen Abgasmenge übersteigenden Abgasmenge geöffnet wird und damit das überschüssige Abgas über den Abschnitt 34 und die Bypass­ leitung 32 dem äußeren, ringförmigen Katalysatorbereich 30 zugeführt wird.

Dabei wird die Anspringtemperatur des Katalysatorbereiches 30 eben­ falls schnell erreicht, weil dieser zwangsläufig über den zentral liegenden Bereich 26 bereits vorgewärmt ist.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So können an Stelle eines Katalysators 28 mit zwei Kata­ lysatorbereichen 26, 30 auch zwei separate Katalysatoren angeordnet sein, wobei dann ggf. die Abgasleitung 24 und die Bypassleitung 32 parallel zueinander verlaufen können, ggf. mit einer gemeinsamen inneren Trennwand. Ggf. können beide Abgasleitungen oder im Ausfüh­ rungsbeispiel die außenliegende Abgasleitung 32 wärmeisoliert sein, wie dies auf der Zeichnung mit dem freiliegenden Abschnitt 52 der Abgasleitung 24 angezeigt ist.

Claims (8)

1. Vorrichtung an einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und Abgasentgiftung, mit einer im Abgasleitungssystem angeordneten Turbine, zumindest einem nachgeschalteten Katalysator und einer die Turbine umgehenden Bypassleitung, die von einem Abblasventil gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (32) und die Abgasleitung (24) separat geführt sind und getrennte Kata­ lysatorbereiche (26, 30) beaufschlagen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ver­ wendung eines Katalysators (28) dessen in Strömungsrichtung gese­ hen zentraler Bereich (26) von der Abgasleitung (24) und ein ring­ förmiger äußerer Bereich (30) von der Bypassleitung (32) beauf­ schlagt sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (24) konzentrisch innerhalb der Bypassleitung (32) verläuft.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzei­ chnet, daß die getrennt beaufschlagten Bereiche (26, 30) des Kata­ lysators (28) isoliert zueinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Öffnungscharakteristik des Abblasventiles (36) im Kaltfahrbereich der Brennkraftmaschine (10) im Sinne einer vorrangigen Beaufschlagung der Abgasturbine (16) bzw. des mit der nachgeschalteten Abgasleitung (24) korrespondierenden Bereiches (26) des Katalysators verändert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ab­ blasventil (36) im Kaltfahrbereich desaktiviert ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei zu hohem Ladedruck P im Kaltfahrbereich ein Umluftventil (46) in der Ladeluftleitung (22) aktiviert ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schluckvermögen der Abgasturbine ca. 40-60% der max. Abgasmenge der Brennkraftmaschine (10) beträgt und daß das Verhältnis des Durchströmquerschnittes der beiden Kataly­ satorbereiche proportional dazu ist.