DE4344277A1 - Brennkraftmaschine mit einem Start-Katalysator - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einem Start-Katalysator

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DE4344277A1
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Peter Langen
Rudolf Zielinski
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Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumin­ dest zwei mit nockenbetätigten, zu- und abschaltbaren Auslaßventilen versehenen Auslaßkanälen je Zylinder, wo­ bei ein erster Auslaßkanal zu einem motornahen Start-Ab­ gaskatalysator und ein zweiter, während der Brennkraftma­ schinen-Warmlaufphase abgeschalteter Auslaßkanal unter Umgehung des Start-Katalysators zu einem Haupt-Abgaskata­ lysator führt.
Bekannt ist eine derartige Brennkraftmaschine aus der EP 05 15 814 A1. Bei einer derartigen bekannten Brennkraft­ maschine ergeben sich insbesondere in deren Warmlaufphase deutlich geringere Abgasemissionen, da der bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine ggf. mehrfach vorhan­ dene Start-Katalysator u. a. aufgrund der Motornähe schneller seine Betriebstemperatur erreicht und somit eine erfolgreiche Schadstoffkonvertierung auszuführen in der Lage ist. Aus dieser Schrift ist es auch bereits be­ kannt, bei Dauerbetrieb der betriebswarmen Brennkraftma­ schine den oder die zum Start-Katalysator führenden Aus­ laßkanal/Auslaßkanäle abzuschalten, um den Start-Kataly­ sator nicht übermäßig hoch zu beanspruchen und somit des­ sen lange Betriebsbereitschaft zu gewährleisten.
An einer derartigen Brennkraftmaschine weitere Verbesse­ rungsmaßnahmen aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß bei be­ triebswarmem Haupt-Katalysator in einem mittleren Brenn­ kraftmaschinen-Lastbereich alle Auslaßventile zugeschal­ tet sind, während im oberen Lastbereich der zum Start- Katalysator führende (erste) Auslaßkanal abgeschaltet ist, und daß durch entsprechende Gestaltung der die Aus­ laßventile betätigenden Steuernocken das Auslaßventil des ersten Auslaßkanales früher öffnet als dasjenige des zweiten Auslaßkanales. Vorteilhafte Weiterbildungen sind im abhängigen Patentanspruch aufgelistet.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand bevorzugter, lediglich in Prinzipskizzen dargestellter Ausfüh­ rungsbeispiele. Dabei ist mit der Bezugsziffer 1 eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine bezeichnet, deren Zy­ lindern über einen Ansaugtrakt 2 Verbrennungsluft und Brennstoff zugeführt wird, der wie bekannt in den Zylin­ dern verbrannt wird und deren daraus resultierender Ab­ gasstrom über eine in ihrer Gesamtheit mit 3 bezeichnete Abgasanlage in die Umgebung abgeführt wird.
Wie insbesondere Fig. 4 zeigt, besitzt jeder Brennraum bzw. Zylinder 10 zumindest zwei Auslaßventile 4a, 4b, an die sich Auslaßkanäle 5a, 5b anschließen, die jeweils in Abgasleitungen 6a, 6b münden. Die Abgasleitungen 6a aller Zylinder sowie die Abgasleitungen 6b aller Zylinder sind in geeigneter Weise zusammengeführt. Dabei sind entweder in den einzelnen Abgasleitungen 6a oder auch in der sich durch Zusammenführung dieser Abgasleitungen 6a ergebenden Abgasleitung 7a ein bzw. mehrere sog. Start-Abgaskataly­ sator(en) 8a vorgesehen. Dieser Start-Katalysator bzw. diese Start-Katalysatoren 3a ist/sind dabei räumlich re­ lativ nahe an der Brennkraftmaschine 1 angeordnet - oder auch in den Auslaßkanälen des Zylinderkopfes der Brenn­ kraftmaschine 1 integriert -, so daß diese Start-Kata­ lysatoren 8a aufgrund ihrer motornahen Anordnung bereits bei Leerlauf der Brennkraftmaschine von relativ heißem Abgas beaufschlagt werden.
Die Abgasleitungen 7a, 7b sind zu einer Summen-Abgaslei­ tung 7 zusammengeführt, in der ein sog. Haupt-Abgaskata­ lysator 8 angeordnet ist. Stromab dieses Haupt-Katalysa­ tors 8 ist die Abgasanlage 3 wie üblich ausgebildet, d. h. es sind nicht gezeigte Schalldämpfer vorhanden, nach deren Passieren die Abgase letztendlich in die Umgebung gelangen können.
Die Auslaßventile 4a, 4b der einzelnen Brennkraftmaschi­ nen-Zylinder sind einzeln abschaltbar oder zuschaltbar. Nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine bzw. immer dann, wenn der Haupt-Katalysator 8 seine für eine erfolg­ reiche Schadstoffkonvertierung erforderliche Betriebstem­ peratur noch nicht erreicht hat, werden die Auslaßventile 4b und somit auch die Auslaßkanäle 5b abgeschaltet. Das Abgas der Brennkraftmaschine wird somit vollständig über die Auslaßkanäle 5a abgeführt und strömt somit zunächst durch den oder die Start-Katalysator(en) 8a. Da dieser Start-Katalysator 8a wie oben erläutert motornah angeord­ net ist, erwärmt sich dieser anschließend an einen Kalt­ start der Brennkraftmaschine binnen kürzester Zeit und kann somit schon bald schädliche Abgasbestandteile kon­ vertieren. Nach Verlassen des/der Start-Katalysa­ tors/Start-Katalysatoren 8a gelangt der gereinigte, noch heiße Abgasstrom zum Haupt-Katalysator 8 und erwärmt die­ sen. Dabei entsteht mit der Konvertierung im Start-Kata­ lysator 8a zusätzliche Wärme, die zur beschleunigten Er­ wärmung des Haupt-Katalysators 8 beitragen kann.
Hat der Haupt-Katalysator 8 schließlich seine Betrieb­ stemperatur erreicht, so werden die Auslaßventile 4b zu­ geschaltet. Nunmehr gelangt der Abgasstrom auch über die Auslaßkanäle 5b sowie die Abgasleitungen 6b und 7b zum Haupt-Abgaskatalysator 8, wo diese Abgase wie gewünscht gereinigt werden. Erfindungsgemäß sind bei betriebswarmem Haupt-Katalysator 8 im mittleren sowie gegebenenfalls auch im unteren Lastbereich der Brennkraftmaschine alle Auslaßventile 4a, 4b zugeschaltet, d. h. das Abgas ge­ langt sowohl über die Auslaßkanäle 5a sowie den oder die Start-Katalysator(en) 8a als auch über die Auslaßkanäle 5b zum Haupt-Katalysator 8. Hierdurch wird ein optimaler Ladungswechsel möglich, d. h. das Abgas kann in optimaler Weise aus den jeweiligen Brennkraftmaschinen-Zylindern abgeführt werden. Wird hingegen die Brennkraftmaschine in ihrem oberen Lastbereich betrieben, so wird der zum Start-Katalysator 8a führende Auslaßkanal 5a abgeschal­ tet, d. h. die Auslaßventile 4a der einzelnen Brennkraft­ maschinen-Zylinder werden stillgesetzt. Diese Maßnahme wird ergriffen, um den oder die Start-Katalysator(en) 8a vor den hohen Abgastemperaturen, die im oberen Brenn­ kraftmaschinen-Lastbereich auftreten, zu schützen. Hohe Temperaturen können nämlich für Abgaskatalysatoren schäd­ lich sein und deren Konvertierungsbereitschaft herab­ setzen. Indem somit bei Auftreten hoher Abgastemperatu­ ren, d. h. in einem oberen Brennkraftmaschinen-Lastbe­ reich die den bzw. die Start-Katalysator(en) 8a beauf­ schlagenden Auslaßventile 4a abgeschaltet sind, werden diese motornahen Start-Katalysatoren für ihre Hauptauf­ gabe, nämlich im Warmlauf der Brennkraftmaschine die Emissionen zu reduzieren, geschont.
In längeren Leerlaufphasen bzw. Niedriglast-Phasen der Brennkraftmaschine kann es jedoch auch sinnvoll sein, das Abgas lediglich über den oder die Start-Katalysator(en) 8a zu führen, um bei einer derart bestehenden Gefahr einer Abkühlung des Haupt-Katalysators 8 diesen neuerlich verstärkt zu erwärmen. Somit kann vorgesehen sein, im unteren Lastbereich sowie im Leerlaufbetriebspunkt der Brennkraftmaschine die Auslaßventile 4b abzuschalten.
Weiterhin ist vorgesehen, daß sich die Steuerzeiten der beiden Auslaßventile 4a, 4b eines Brennkraftmaschinen-Zy­ linders unterscheiden. Diese Auslaßventile 4a, 4b werden wie üblich durch Nocken betätigt, wobei die Nockengeome­ trie derart gewählt ist, daß das Auslaßventil 4a des er­ sten, zum Start-Katalysator 8 führenden Auslaßkanales 5a früher öffnet als das Auslaßventil 4b des zweiten Aus­ laßkanales 5b, der im wesentlichen einen Bypass zum Start-Katalysator 8a darstellt. Durch das frühere Öffnen der Auslaßventile 4a stellt sich nämlich eine höhere Ab­ gastemperatur ein, was erwünscht ist, um die noch kalten Start-Katalysatoren 8a schneller auf ihre Be­ triebstemperatur zu bringen. In vorteilhafter Weise be­ wirkt ein gegebenenfalls zusätzlich vorgesehenes früheres Schließen der Auslaßventile 4a geringere Restgasanteile aufgrund verminderter Überschneidung mit den Einlaßventi­ len, was somit insbesondere während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 1 eine verbesserte Leerlaufqualität derselben zur Folge hat. Unter Ladungswechselgesichts­ punkten ist es vorteilhaft, das zweite Auslaßventil 4b jedes Zylinders später schließen zu lassen als das Aus­ laßventil 4a. Vorteilhafterweise ergibt sich darüber hin­ aus mit dem späteren Schließen des zum motorfernen Haupt- Katalysator 8 führenden Auslaßventiles 4b eine größere Überschneidung mit den Einlaßventilen, die eine ver­ stärkte sog. interne Abgasrückführung ermöglicht, d. h. bereits die Rohemissionen der Brennkraftmaschine werden durch einen vergrößerten Restgasgehalt reduziert. Insbe­ sondere läßt sich dabei mit der beschriebenen Schaltstra­ tegie, d. h. daß entweder beide Auslaßventile 4a, 4b ge­ öffnet sind oder eines der beiden Ventile 4a, 4b ver­ schlossen bleibt, d. h. abgeschaltet ist, der Restgasge­ halt im Brennkraftmaschinen-Zylinder/Brennraum betriebs­ punktabhängig steuern.
Ein Steuerdiagramm bzw. die Ventilerhebungskurven der beiden Auslaßventile 4a, 4b sind in Fig. 5 dargestellt und mit 4a′, 4b′ bezeichnet. Dabei kann weiterhin vorge­ sehen sein, daß das Auslaßventil 4a des ersten Auslaßka­ nales 5a nicht nur früher öffnet als dasjenige des zwei­ ten Auslaßkanales 5b, sondern daß darüber hinaus das Aus­ laßventil 4a des ersten Auslaßkanales 5a früher schließt als das Auslaßventil 4b des zweiten Auslaßkanales 5b. Ferner ist vorgesehen, daß das Auslaßventil 4a sowie der zugehörige (erste) Auslaßkanal 5a einen geringeren Durch­ messer besitzt als das Auslaßventil 4b sowie der zugehö­ rige (zweite) Auslaßkanal 5b jedes Brennkraftmaschinen- Zylinders. Diese Maßnahme bewirkt, daß nach Erreichen der Betriebstemperatur des Haupt-Katalysators 8, d. h. wenn beide Auslaßventile 4a, 4b zugeschaltet sind, ein größe­ rer Anteil des Abgasstromes durch die Auslaßkanäle 5b direkt zum Haupt-Katalysator 8 geführt wird, so daß der bzw. die Start-Katalysator(en) 8a lediglich einen gerin­ geren Abgas-Teilstrom erhalten und somit geschont werden.
Vorgesehen sein kann ein Zusatzluftgebläse 11, das strom­ auf der Start-Katalysatoren 8a Zusatzluft in die Abgas­ leitungen 6a einleitet, um dort für eine nochmals höhere Abgastemperaturen erzeugende Abgas-Nachverbrennung zu sorgen, wenn die Brennkraftmaschine bevorzugt in der Warmlaufphase mit unterstöchiometrischem Gemisch betrie­ ben wird.
Der erste Auslaßkanal 5a und/oder dessen Abgasleitung 6a kann stromauf des Start-Katalysators 8a isoliert sein, um Wärmeverluste des Abgases auf diesem Wege gering zu hal­ ten. Dies ist einer schnellen Erwärmung des Start-Kataly­ sators 8a förderlich. Dabei kann die Isolierung des Aus­ laßkanales 5a portlinerartig ausgebildet sein. Hingegen kann es empfehlenswert sein, den zweiten Auslaßkanal 5b und/oder dessen Abgasleitung 6b bzw. 7b stromauf des Haupt-Katalysators 8 im Hinblick auf eine gute Kühlung des Abgasstromes auszubilden. Hierdurch können Über­ hitzungen des Haupt-Katalysators 8 insbesondere im Vollast-Betrieb der Brennkraftmaschine 1 verhindert wer­ den, wozu insbesondere die Abgasleitungen 7b, 7 derart angeordnet werden, daß sie beispielsweise durch den Fahrtwind, hervorgerufen durch die Bewegung eines Kraft­ fahrzeuges, in dem eine erfindungsgemäße Brennkraftma­ schine eingebaut ist, umstrichen werden.
Ist - wie Fig. 1 zeigt - in der Abgasanlage 3 der Brenn­ kraftmaschine 1 ein Abgasturbolader 9 vorgesehen, über den wie bekannt der Abgasstrom der Brennkraftmaschine ge­ leitet wird und der einen Verdichter aufweist, um der Brennkraftmaschine 1 über den Ansaugtrakt 2 einen erhöh­ ten Ansaugluftstrom zuführen zu können, so empfiehlt es sich, den Abgasturbolader 9 derart anzuordnen, daß dieser von den zweiten Auslaßkanälen 5b jedes Zylinders beauf­ schlagt wird. Hierzu ist der Abgaskatalysator bevorzugt in der Abgasleitung 7b angeordnet. Hierdurch stellt der Abgasturbolader 9 für den zu den Start-Katalysatoren 8a gelangenden Abgasstrom keine Temperatursenke dar, in der dieser Abgasstrom gekühlt würde. Vielmehr gelangt wie ge­ wünscht der Abgasstrom aufgrund dieser Maßnahme vollkom­ men ungekühlt zu dem/den Start-Katalysator(en) 8a, um dort eine intensive Erwärmung bewirken zu können. Alter­ nativ können jedoch auch die Abgasleitungen 7a sowie 7b in den Abgasturbolader 9 münden, um somit auch bereits während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine einen Betrieb dieses Laders 9 zu ermöglichen.
Der bzw. die Start-Katalysator(en) 8a sowie der Haupt-Ka­ talysator können ihrem Einsatzzweck entsprechend ver­ schiedenartig beschichtet sein sowie aus verschiedenarti­ gen Trägersubstanzen bestehen. So kann die Beschichtung des Start-Katalysators 8a insbesondere auf einen niedri­ geren Temperaturbereich hin ausgelegt sein, als diejenige des Haupt-Katalysators 8. Selbstverständlich können die jeweiligen Katalysatoren ihrem Einsatzzweck entsprechend auch hinsichtlich ihrer Geometrie unterschiedlich gestal­ tet sein. Hierdurch ist insgesamt eine gesonderte Berück­ sichtigung von Ansprechverhalten und Langzeitstabilität möglich. Dabei kann der Start-Katalysator 8a insbesondere auch als beheizbarer, bevorzugt elektrisch beheizbarer Katalysator ausgebildet sein.
Jeder Brennkraftmaschinen-Zylinder kann auch mehr als zwei Auslaßventile 4a, 4b aufweisen, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Bevorzugt ist dann weiterhin lediglich ein einziges Auslaßventil 4a dem Start-Katalysator 8a zuge­ ordnet, während die weiteren Auslaßventile 4b sämtliche sog. zweite Auslaßkanäle 5b beaufschlagen, die in Fort­ setzung unter Umgehung des Start-Katalysators 8a zum Haupt-Katalysator 8 führen. Selbstverständlich können auch mehrere Haupt-Katalysatoren 8a vorgesehen sein, die wie bekannt parallel angeordnet sind. Dabei kann dies sowie weitere Details durchaus abweichend von den gezeig­ ten Ausführungsbeispielen gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen, wonach stets bei hohen Lasten sowie Drehzahlen der Brennkraftmaschine das dem motornahen Start-Katalysator 8a zugeordnete Auslaßventil 4a abgeschaltet ist, um eine thermische Überlastung des bzw. der Monolithen bei stöchiometrischem bzw. überstöchiometrischem Luftverhältnis zu vermeiden.

Claims (2)

1. Brennkraftmaschine mit zumindest zwei mit nockenbe­ tätigten, zu- und abschaltbaren Auslaßventilen (4a, 4b) versehenen Auslaßkanälen (5a, 5b) je Zylinder (10), wobei ein erster Auslaßkanal (5a) zu einem motornahen Start-Abgaskatalysator (8a) und ein zweiter, während der Brennkraftmaschinen-Warmlauf­ phase abgeschalteter Auslaßkanal (5b) unter Umgehung des Start-Katalysators (8a) zu einem Haupt- Abgaskatalysator (8) führt, dadurch gekennzeichnet, daß bei betriebswarmem Haupt-Katalysator (8) in einem mittleren Brennkraft­ maschinen-Lastbereich alle Auslaßventile (4a, 4b) zugeschaltet sind, während im oberen Lastbereich der zum Start-Katalysator (8a) führende Auslaßkanal (5a) abgeschaltet ist, und daß durch entsprechende Gestaltung der die Auslaßventile (4a, 4b) betätigen­ den Steuernocken das Auslaßventil (4a) des ersten Auslaßkanales (5a) früher öffnet als dasjenige des zweiten Auslaßkanales (5b).
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale:
  • - das Auslaßventil (4a) des ersten Auslaßkanales (5a) schließt früher als dasjenige des zweiten Auslaß­ kanales (5b)
  • - in einem unteren Lastbereich sowie im Leerlaufpunkt der Brennkraftmaschine ist bei einer Gefahr einer Abkühlung des Haupt-Katalysators (8) der den Start- Katalysator (8a) umgehende Auslaßkanal (5b) abge­ schaltet.
  • - das Auslaßventil (4a) des ersten Auslaßkanales (5a) und/oder der erste Auslaßkanal (5a) besitzt einen geringeren Durchmesser als das Auslaßventil (4b) des zweiten Auslaßkanales (5b) und/oder der zweite Aus­ laßkanal (5b)
  • - die ersten und/oder zweiten Auslaßkanäle (5a, 5b) zumindest zweier Brennkraftmaschinen-Zylinder sind stromauf der Katalysatoren (8, 8a) auf geeignete Weise zu Abgasleitungen (6a, 6b, 7a, 7b) zusammenge­ führt
  • - ein Zusatzluftgebläse (11) kann Frischluft in die Abgasleitung(en) (6a) stromauf des/der Start-Kataly­ sator/en (8a) leiten
  • - ein Abgasturbolader (9) wird von den zweiten Aus­ laßkanälen (5b) beaufschlagt
  • - der/die Start-Katalysator(en) (8a) und der/die Haupt-Katalysator(en) (8) sind verschiedenartig be­ schichtet
  • - der erste Auslaßkanal (5a) und/oder dessen Abgaslei­ tung (6a) ist stromauf des Start-Katalysators (8a) isoliert, während der zweite Auslaßkanal (5b) und/oder dessen Abgasleitung (6b) stromauf des Haupt-Katalysators (8) im Hinblick auf eine Kühlung des Abgasstromes ausgebildet ist
  • - der zweite Auslaßkanal (5b) ist eine Gruppe von zu­ sammengeführten Auslaßkanälen eines Brennkraftma­ schinen-Zylinders.
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