Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor.
Hintergrund der Erfindung
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Das Anordnen eines Katalysators bezüglich des Auspuffkrümmers eines
Verbrennungsmotors ist normalerweise ein Kompromiß, der auf zwei
gegensätzlichen Anforderungen beruht. Der Katalysator muß in der Lage sein,
seine Abbrenntemperatur (typisch 350ºC) bei allen Betriebszuständen zu
erreichen, und er sollte dies vorzugsweise so schnell wie möglich tun. Diese
Anforderungen erzwingen es, daß der Katalysator so nah wie möglich an den
Abgasöffnungen des Motors angebracht wird. Andererseits sollte die Temperatur
eine gewisse Schwellentemperatur (typisch 850ºC) nicht überschreiten, oberhalb
deren der Katalysator Schaden erleiden würde. Aus diesem Grund würde das
Anordnen eines Katalysators nahe des Auspuffkrümmers den Katalysator in
Betriebszuständen hoher Last und hoher Drehzahl gefährden, wenn die
Gastemperatur diese Grenze überschreiten kann.
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Nach dem bisherigen Stand der Technik wurden verschiedene Vorschläge
gemacht, um die Probleme an beiden Enden dieses Temperaturbereiches
abzuschwächen. Um Schaden am Katalysator durch Überhitzung zu vermeiden, ist
es üblich, daß der Kraftstoffgehalt des Gemisches bei hoher Last beträchtlich
erhöht wird. Dies reduziert die Abgastemperatur, verschlechtert aber die
Ausnutzung des Kraftstoffs und vergrößert das Problem der
Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen.
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Das Anbringen eines Katalysators nahe des Motors (in dessen unmittelbarer Nähe)
ist wegen des fehlenden Platzes nicht immer leicht zu erreichen. Aus diesem
Grund wurden nach dem bisherigen Stand der Technik Unterbodenkatalysatoren
verwendet, doch haben sie den Nachteil, daß sich die Abgase abkühlen, bevor sie
den Katalysator erreichen, und die Abbrennzeit des Katalysators daher verlängert
wird.
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DE-A-38 26 364 offenbart ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor wie es
im Oberbegriff des beigefügten Patentanspruchs 1 dargelegt ist. Das Abgassystem
umfaßt ein Ablaßrohr, um den Auspuffkrümmer des Motors mit einem
Hauptkatalysator und einem zusätzlichen Katalysator zu verbinden, der entlang
einem Pfad angeordnet ist, der parallel mit dem Ablaßrohr verbunden ist, wobei
der zusätzliche Katalysator einen ringförmigen Durchlaß aufweist, der zwischen
inneren und äußeren röhrenförmigen Wänden festgelegt ist, wobei dieser
ringförmige Durchlaß eine Katalysatormatrix enthält und mit dem Inneren des
Ablaßrohres an dessen Eintritts- und Austrittsseite verbunden ist. Dieses
Abgassystem erfordert eine gute Isolierung des zusätzlichen Katalysators im
Zustand hoher Last, da ihn jedwedes Eintreten von Gasen bei Temperatur
beschädigen würde.
Gegenstand der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung strebt danach, ein Abgassystem bereitzustellen, in dem
ein zusätzlicher, in unmittelbarer Nähe befindlicher Katalysator entlang einem Pfad
bereitgestellt ist, der parallel zum Ablaßrohr verläuft, und in dem die Strömung
vollständig vom Katalysator abgelenkt werden kann, wenn der Motor unter hoher
Last läuft, um am Katalysator Schäden durch Überhitzung zu vermeiden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Abgassystem der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch einen
zweiten Durchlaß, der ebenfalls mit dem Inneren des Ablaßrohres an dessen
Eintritts- und Austrittsende in Verbindung steht, eine Sperre, um das Ablaßrohr
zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsende sowohl des ersten als auch des
zweiten Durchlasses zu verschließen, und ein Strömungsregelungsrohr, das sich
bezüglich des Ablaßrohres zwischen einer ersten Position, in der Abgase aus dem
Ablaßrohr in den ersten ringförmigen Durchlaß strömen und unterhalb der Sperre
nach Passieren der Katalysatormatrix in das Ablaßrohr zurückkehren können, und
einer zweiten Position, in der die Abgase aus dem Ablaßrohr in den zweiten
Durchlaß strömen und unterhalb der Sperre ohne Passieren der Katalysatormatrix
in das Ablaßrohr zurückkehren können, bewegen läßt.
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Vorzugsweise besitzt die innere röhrenförmige Wand des zusätzlichen Katalysators
einen Abstand von der Außenfläche des Ablaßrohres, um einen ringförmigen
Durchlaß festzulegen, der den zweiten Durchlaß darstellt.
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In der Erfindung ist die Katalysatormatrix bei hoher Last durch das
Strömungsregelungsrohr vollständig vom Ablaßrohr isoliert. Aufgrund der engen
Verbindung kann immer noch Wärme von den Abgasen auf die Katalysatormatrix
übertragen werden, und dies hilft dabei, letztere selbst im Bereitschaftszustand
oberhalb ihrer Abbrenntemperatur zu halten. Der Katalysator wird die Temperatur
der Abgase erreichen, die unter hoher Last bis zu 950ºC betragen kann. Obwohl
diese Temperatur 100ºC über der oberen Sicherheitstemperaturgrenze für den
Katalysator liegt, der den Abgasen ausgesetzt ist, hat sich herausgestellt, daß der
Katalysator bei geeigneter Isolierung vom Abgasstrom über längere Zeiträume
hinweg ohne langfristige schädliche Wirkung auf diese Temperatur erwärmt
werden kann.
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Das Ablaßrohr kann vorteilhaft mit Öffnungen an seinen Verbindungsstücken mit
dem ersten und zweiten Durchlaß ausgebildet werden, die durch geeignete
Stellung des Strömungsregelungsrohres freigegeben und abgedeckt werden. In der
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Strömungsregelungsrohr ein
gerades Rohr, das sich innerhalb des Ablaßrohres befindet und mit der Sperre
ausgebildet ist.
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Für eine verbesserte Abdichtung ist es wünschenswert, daß das Regelungsrohr
bezüglich des Ablaßrohres axial beweglich ist, doch ist es wahlweise möglich, daß
das Strömungsregelungsrohr drehbar in bezug auf das Ablaßrohr ist, um einen
Verschluß mit verschiebbarer Schlitzplatte an der Verbindungsstelle zwischen dem
Ablaßrohr und dem ersten und zweiten Durchlaß zu bilden.
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Falls der zweite Durchlaß die gleiche Strömungsquerschnittsfläche wie der Rest
des Ablaßrohres besitzt, kann der zweite Durchlaß als Teil der eingestellten Länge
des Auspuffrohres angeordnet werden.
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Das Regelungsrohr muß in allen Ausführungsformen relativ zum Ablaßrohr
beweglich sein, und obwohl es vorzuziehen ist, daß das Ablaßrohr unbeweglich
bezüglich des Motors bleibt und das Regelungsrohr sich relativ zu ihm bewegt, ist
es wahlweise möglich, daß das Regelungsrohr unbeweglich bezüglich des Motors
ist, während Ablaßrohr und Katalysator relativ zum Motor beweglich sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
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Abbildung 1 ein senkrechter Schnitt durch ein Abgassystem in Übereinstimmung
mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist,
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Abbildung 2 einen Schnitt durch das Strömungsregelungsrohr zeigt, das in das
Abgassystem von Abbildung 1 eingesetzt werden soll,
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Abbildung 3 ein senkrechter Schnitt durch ein Abgassystem einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung ist, und
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Abbildung 4 ein senkrechter Schnitt durch ein Abgassystem einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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In den Abbildungen 1 und 2 ist ein Schnitt durch ein Abgassystem gezeigt, ein
Ablaßrohr 14 umfassend, das mit Hilfe eines ersten Flansches 10 am
Auspuffkrümmer des Motors und mit Hilfe eines zweiten Flansches 12 am Rest
des Abgassystems befestigt werden kann, das einen Unterbodenkatalysator, einen
Schalldämpfer und ein Auspuffrohr (nicht gezeigt) umfaßt.
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Um das Ablaßrohr 14 herum ist ein ringförmiger zusätzlicher Katalysator
angebracht, der ein Außengehäuse 16, das mit dem Ablaßrohr 14 verschweißt ist,
sowie eine röhrenförmige Innenwand 18 umfaßt, die sich in einem Abstand vom
Ablaßrohr 14 befindet und mit diesem zusammen einen ringförmigen Durchlaß 22
bildet, der an beiden Enden verschlossen ist. Die Katalysatormatrix 20 des
Katalysators ist ebenfalls ringförmig und befindet sich zwischen dem Gehäuse 16
und der röhrenförmigen Wand 18.
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Verschiedene Öffnungen sind in dem Ablaßrohr 14 ausgebildet. Eine erste Öffnung
24 gestattet den Eintritt von Abgasen in den ringförmigen Durchlaß, der vom
Katalysator gebildet wird, und eine Öffnung 30 leitet die Abgase aus dem
Katalysator in das Ablaßrohr 14 zurück. In ähnlicher Weise dienen die Öffnungen
26 und 28 dem Gasaustausch zwischen dem Ablaßrohr 14 und dem ringförmigen
zweiten Durchlaß 22.
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Um den Gasstrom durch die verschiedenen Öffnungen 24 bis 30 zu regeln, wird
ein Strömungsregelungsrohr 32 (siehe Abbildung 2) von unten in das Ablaßrohr 14
eingesetzt. Das Strömungsregelungsrohr 32 besitzt eine Sperre 34, die zwischen
den Öffnungen 26 und 28 liegt, wenn sich das Regelungsrohr 32 an seinem Platz
im Ablaßrohr 14 befindet, und die verhindert, daß die Abgase direkt durch das
Ablaßrohr strömen. Abhängig von der axialen Position des Rohres 32 werden die
Gase gezwungen, entweder durch die Katalysatormatrix 20 oder durch den
zweiten ringförmigen Durchlaß 22 zu strömen. Zu diesem Zweck besitzt das
Strömungsregelungsrohr Öffnungen 36, 38 und 40, die an verschiedenen Stellen
des Strömungsregelungsrohres 32 in einer Reihe mit den Öffnungen im Ablaßrohr
liegen, sowie Ringdichtungen 42, die Verluste durch diese Öffnungen verhindern,
wenn diese geschlossen sind.
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Die axiale Verschiebung des Strömungsregelungsrohres 32 wird durch einen Stab
44 bewirkt, der drehbar mit der Sperre 34 verbunden ist, sowie durch einen in
einem Gehäuse 48 befindlichen Hebel 46, der sich in seinem zusammengebauten
Zustand zwischen dem Flansch 12 und dem Unterbodenkatalysator befindet. Der
Stift 50, auf dem der Hebel befestigt ist, kann von außen mittels eines geeigneten
Stellgliedes gedreht werden.
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Liegt die Öffnung 36 des Regelungsrohres 32 über der Öffnung 24 des
Ablaßrohres 14, so liegt die Öffnung 40 über Öffnung 30. Zur gleichen Zeit sind
die Öffnungen 26 und 28 verschlossen und abgedichtet. Die Abgase strömen
daher durch die Katalysatormatrix 20, und diese Stellung wird während des
Kaltstarts, des Aufwärmens und im Zustand leichter Last eingenommen, um den
zusätzlichen Katalysator in den Abgasstrom zu bringen.
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Während des Betriebs mit hoher Last würde der Katalysator beschädigt werden,
falls er weiterhin im Abgasstrom verbleiben würde, und aus diesem Grund hebt
das mit Hebel 46 verbundene Stellglied das Strömungsregelungsrohr 32, sobald
der Hauptunterbodenkatalysator seine Abbrenntemperatur erreicht hat, um jeweils
die Öffnungen 26 und 38 und die Öffnungen 28 und 40 in eine Reihe zu bringen.
Gleichzeitig werden die Öffnungen 24 und 30 abgedichtet, um zu verhindern, daß
irgendwelche Gase die Katalysatormatrix 20 erreichen. In dieser Stellung strömt
der gesamte Abgasstrom durch den ringförmigen Durchlaß 22, der etwa dieselbe
Querschnittsfläche wie der Rest des Ablaßrohres 14 besitzt und daher den
Gasstrom nicht behindert.
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Weil der Abgasstrom nur durch die Wand 18 vom Katalysator getrennt ist,
erwärmt sich die Matrix, und sie kann unter Vollast eine Temperatur von bis zu
950ºC erreichen. Dennoch wird diese hohe Temperatur die Matrix nicht
beschädigen, da diese keinen reaktiven Gasen ausgesetzt ist. Es besteht kein
Bedarf an weiteren besonderen Vorkehrungen, um, etwa durch Erhöhung der
Kraftstoffzufuhr, den Katalysator vor Schaden zu schützen.
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Unter allen Lastbedingungen außer den leichtesten bleibt der zusätzliche
Katalysator im Bereitschaftszustand oberhalb seiner eigenen Abbrenntemperatur,
und, falls der Hauptkatalysator unter seine Abbrenntemperatur fallen sollte, kann
der zusätzliche Katalysator wieder zugeschaltet werden, indem das
Strömungsregelungsrohr 32 abgesenkt wird.
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Abbildung 3 zeigt eine im allgemeinen ähnliche Ausführungsform, und um unnötige
Wiederholungen zu vermeiden, wurden gleichen Elementen die gleichen
Bezugsziffern zugeordnet, während veränderten Elementen die gleichen Ziffern
unter Hinzufügung eines Striches gegeben wurden. Der wesentliche Unterschied in
dieser Ausführungsform ist, daß die Sperre 34' einen Teil des Ablaßrohres 14'
bildet und daß sich das Strömungsregelungsrohr 32' anstatt innerhalb des
Ablaßrohres 14 zwischen dem Ablaßrohr 14' und der inneren röhrenförmigen
Wand 18' des Katalysators befindet. Das Rohr 32' muß in diesem Fall durch einen
Hebel gesteuert werden, der durch das Gehäuse 16 verläuft.
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In dieser Ausführungsform ist eine andere Anordnung der Öffnungen notwendig,
da sich hier nur drei Öffnungen 24', 26' und 28' im Ablaßrohr 14' und zwei
Öffnungen 36' und 40' am oberen und unteren Ende des
Strömungsregelungsrohres 32' befinden. Wie links in der Zeichnung dargestellt,
strömt der Abgasstrom vollständig durch den ringförmigen Durchlaß 22, wenn sich
das Strömungsregelungsrohr 32' in seiner unteren Stellung befindet, und in dessen
angehobener Position strömt der gesamte Abgasstrom durch die Katalysatormatrix
20.
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Abbildung 4 ist eine Modifikation der Ausführungsform von Abbildung 3, und es
wurden die gleichen Regeln für die Zuordnung der Bezugsziffern angewandt. Der
wesentliche Unterschied zu Abbildung 3 ist, daß die Innenwand 18" des
Katalysators nun zwei Funktionen erfüllt und das Regelungsrohr 32' ersetzt. Damit
dies möglich ist, muß der gesamte Katalysator entlang dem Ablaßrohr 14 axial
beweglich sein, und dies wird ohne die Gefahr von Undichtigkeiten mit Hilfe von
Faltenbalgen 60 und 62 an den entgegengesetzten Enden des Katalysators
erreicht.