DE69722260T2

DE69722260T2 - Vorrichtung und verfahren zum reduzieren der abgasemissionen in systemen mit katalytischen konvertern

Info

Publication number: DE69722260T2
Application number: DE69722260T
Authority: DE
Inventors: Sören KARLSSON; Göran WIRMARK; Roger Tengblad; Jan-Erik Larsson; Magnus Blomroos
Original assignee: Volvo Car Corp
Current assignee: Volvo Car Corp
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1997-03-11
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2017-03-12
Also published as: JP2001514719A; DE69722260D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verringern der Emissionen in einem Katalysator-Abgassystem für ein mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstetes Fahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren, durch die die so genannte "Aufwärmzeit" des Katalysators bzw. katalytischen Konverters verringert werden kann, während gleichzeitig die vom Motor zum Katalysator hin ausgestoßenen Rohemissionen verringert werden.
Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge, die mittels Verbrennungsmotoren betrieben werden, ist es eine allgemeine Anforderung, dass die Konzentration schädlicher Substanzen im Motorabgas so niedrig wie möglich sein sollte. Diese schädlichen Substanzen sind hauptsächlich in Form von unverbrannten Rückständen von Kohlenwasserstoffen (HC), Stickoxiden (NOx) und Kohlenmonoxid (CO) vorhanden. In heutigen mit Ottomotoren ausgestalteten Kraftfahrzeugen wird normalerweise eine Abgasreinigung mittels eines katalytischen Konverters oder Katalysators durchgeführt, der im Abgassystem angeordnet ist. In modernen so genannten Dreiwegekatalysatoren wird der Hauptteil der zuvor erwähnten schädlichen Substanzen mittels verschiedener bekannter katalytischer Reaktionen beseitigt.
Heutige Katalysatoren erbringen einen sehr hohen Reinigungsgrad, d. h. eine Umwandlung schädlicher Abgasbestandteile zu Kohlendioxid und Wasser. Dies bedeutet, dass sie bei der zweckmäßigen Arbeitstemperatur des Katalysators eine sehr große Menge schädlicher Emissionen im Abgas beseitigen. Jedoch leiden sie an dem Problem, dass sie eine bestimmte Zeit lang aufgewärmt werden müssen, um die Betriebstemperatur zu erreichen, bei der ein optimaler Reinigungsgrad erreicht werden kann. Die so genannte "Aufwärmtemperatur" des Katalysators beträgt ungefähr 200–350°C und kann als die Temperatur definiert werden, bei der der Katalysator eine 50%ige Reinigung eines bestimmtem schädlichen Abgasbestandteils besorgt. Während der anfänglichen Aufwärmphase des Katalysators, die ungefähr 30–90 Sekunden dauert, kann der Katalysator, was die Beseitigung der schädlichen Abgasbestandteile betrifft, nicht optimal arbeiten. Offenbar begründet dies ein Problem, das beim Kaltstart eines Fahrzeuges auftritt.
Ein möglicher Weg die Menge schädlicher Emissionen während der anfänglichen Aufwärmphase zu verringern, besteht darin, verschiedene Maßnahmen durchzuführen, um die erforderliche Zeit zu verkürzen, in der der Katalysator seine Aufwärmtemperatur erreicht. Während eines Kaltstarts kann dies erreicht werden, indem im Abgassystem erhöhte Wärmeenergie erzeugt wird, was anschließend ein schnelles Erwärmen des Katalysators bewirkt.
Eine vorbekannte Vorrichtung, um diese Zeitverkürzung für das Erreichen der Aufwärmtemperatur zu erzielen, umfasst einen elektrisch beheizten Katalysator, der stromauf vom Hauptkatalysator angeordnet ist. Jedoch bringt diese Vorrichtung bestimmte Nachteile mit sich. Erstens sind die Kosten für einen beheizbaren Katalysator beträchtlich. Darüber hinaus ist der Verbrauch an elektrischer Energie relativ hoch. Eine zusätzliche Energieversorgung, wie eine extra Batterie kann in dem Fahrzeug erforderlich sein. Auch kann die Lebensdauer des beheizbaren Katalysators ein Problem bilden.
Eine andere Vorrichtung, die in der Zeitschrift Motortechnische Zeitschrift, Band bzw. Jahrgang 55 (1994), Heft 4 auf den Seiten 198–206 unter dem Titel "Die Motoren im neuen Opel Omega" von Heinz-Ewo Brand et al offenbart ist, umfasst Einrichtungen zum Einblasen von Sekundärluft in das Abgas. Diese Sekundärluft wird mit dem Abgas in der Auslassöffnung und in einem Sammelraum unmittelbar stromab der Auslassventile des Motors gemischt, was zu einer Oxidation des aus den Abgasen und der Sekundärluft bestehenden Gemischs führt. Diese Oxidation führt zur Erzeugung von Wärmeenergie, die dem Katalysator zugeführt wird, der demzufolge erwärmt wird.
Diese Vorrichtung beruht auf der Tatsache, dass der Motor beim Kaltstart so betrieben wird, dass für einen bestimmten stöchiometrischen Kraftstoffüberschuss im Luft-/Kraftstoffgemisch gesorgt wird, das dem Motor zugeführt wird. Die Anreicherung des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses auf einen Wert, der einen Lambda-Wert unterhalb λ = 1 ergibt, führt dazu, dass überschüssiger Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) in den Abgasen erzeugt werden. Durch Verringern von λ auf einen Wert von zum Beispiel ungefähr 0,7 wird die entsprechende Menge an Wasserstoff in den Abgasen bei einem Betrag von ungefähr 5% des Volumens des Abgases liegen Solch niedrige Werte des λ-Parameters können durch Ändern des Motorsteuersystems in der Weise erreicht werden, dass der Steuerungsausgang für die Kraftstoffeinspritzung so eingestellt wird, dass während der Anfahrphase ein fettes Luft-/Kraftstoffgemisch sichergestellt ist. Dies kann durch Verlängern der Kraftstoffeinspritzzeit und/oder durch Verringern der Einlassluftmenge des Motors geschehen. Weitere Verfahren zur Steigerung der Menge des Wasserstoffs und anderer brennbarer Bestandteile im Abgas sind ebenfalls verfügbar, zum Beispiel eine Änderung der Regelung der Kraftstoffeinspritzung oder Zündung, der Einstellung der Regelung des Ventiltriebs des Motors oder sogar durch Anwendung der Schichtverbrennung im Brennraum.
Wie zuvor erwähnt wurde, wird die Sekundärluft mit den Abgasen gemischt. Dies führt zu einem Oxidationsprozess, der hauptsächlich aufgrund des in den Abgasen vorhandenen Wasserstoffs stattfindet. Die Oxidationsreaktion erzeugt einen hohen Betrag an Wärmeenergie, die durch das Abgasrohr zum Katalysator geleitet wird, der infolgedessen schnell aufgeheizt wird.
Obgleich die oben erwähnte Vorrichtung zur Verringerung der erforderlichen Zeit führt, bis die Aufwärmtemperatur des Katalysators erreicht wird, leidet sie an dem Nachteil, dass die Motorleistung negativ beeinflusst wird. Dies beruht auf der Tatsache, dass die bekannte Vorrichtung nicht auf eine optimale Motorleistung und Motordrehmoment abgestimmt werden kann. Was die Abstimmung des Motors betrifft, sollte immer die Auslegung der Abgasrohre des Motors berücksichtigt werden, um ein Optimum an volumetrischem Wirkungsgrad des Motors zu schaffen. Die Geometrie des Abgassammlers gemäß der Vorrichtung, die in dein oben erwähnten Artikel "Die Motoren im neuen Opel Omega" beschrieben ist, erlaubt keine derartige Abstimmung, die wesentlich ist, wenn die Motorleistung optimiert werden soll.
Ein anderer Nachteil der Vorrichtung nach dem Artikel besteht darin, dass beim Kaltstart die Temperatur des Katalysators wenig oder nicht berücksichtigt wird. Dies bedeutet, dass der Motor so geregelt wird, dass er Wasserstoff erzeugt, wenn dieser nicht benötigt wird, zum Beispiel, wenn der Katalysator seine Aufwärm-Temperatur bereits erreicht hat. Mit anderen Worten kann dein Motor überschüssiger Kraftstoff zugeführt werden und dies führt zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch.
Bei Motoren mit Abgasturbolader ist die Zeitspanne bis zum Erreichen der optimalen Leistung des Katalysators üblicherweise länger als bei natürlich ansaugenden Motoren. Dies beruht hauptsächlich auf der Tatsache, dass der Turbolader als Kühler wirkt und die Temperatur des Abgases absenkt, bevor es in den Katalysator eintritt. Die zuvor erwähnten Vorrichtungen zur Abgasoxidation sind bisher nicht für Motoren mit Turbolader verwendet worden.
Eine andere Vorrichtung zum Verringern der Emissionen ist aus den Dokumenten WO-A-92/22734 und WO-A-93/07365 bekannt, die eine Vorrichtung offenbaren, in der das Wasserstoff- und Sauerstoffgemisch in eine getrennte Brennkammer eines Nachbrennersgeleitet wird, die stromab des Abgasrohrs angeordnet ist. Wenn das Abgas die Brennkammer des Nachbrenners erreicht, wird es mittels eine besonderen Zündvorrichtung gezündet, unmittelbar nachdem der Motor das erste Mal gezündet hat. Dies wird erreicht, indem sichergestellt wird, dass die Konzentration von Wasserstoff und Sauerstoff innerhalb bekannter Entflammungsgrenzen bleibt. Zum Erreichen der erforderlichen Konzentrationen wird das Kraftstoff-/Luftgemisch beträchtlich angereichert, um zusätzlichen Wasserstoff zu erhalten, während zusätzlicher Sauerstoff mittels einer zusätzlichen Luftpumpe zugeführt wird.
Obgleich hiermit eine Verbesserung erzielt wird, liegt ein schwerwiegender Nachteil dieser Vorrichtung darin, dass eine Zündvorrichtung in der Nachverbrennungs-Brennkammer erforderlich ist, um das Gasgemisch zu zünden. Solch eine Zündvorrichtung stellt ein zusätzliches Bauteil dar, das ausfallen kann. Darüber hinaus ist dies aus Sicht des Verbrauchers aufgrund der sich ergebenden zusätzlichen Kosten unerwünscht, die mit dem teureren Abgassystem und den Folgekosten für den Service und/oder den Austausch verbrauchter oder fehlerhafter Nachbrennerzündvorrichtungen verbunden sind.
Der Erfindung liegt so die Hauptaufgabe zugrunde, die zuvor beschriebenen Nachteile zu überwinden und eine verbesserte Vorrichtung zum Verringern der Emissionen in Katalysator-Abgassystemen bzw. Abgassystemen mit katalytischem Konverter zu schaffen, die keinerlei bedeutsame Verschlechterung der Motorleistung einschließt und eine deutliche Verringerung der Zeitspanne bewirkt, die erforderlich ist, um die Aufwärmtemperatur des Katalysators zu erreichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Verringern der Emissionen in einem Katalysator-Abgassystem für einen Verbrennungsmotor gelöst, wobei der Katalysator verringerte Emissionen liefert, nachdem eine Aufwärmzeit nach dem Starten des Motors verstrichen ist. Die Vorrichtung umfasst ein Abgasrohr, das den Motor mit dem Katalysator verbindet, eine ein Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildende Einrichtung zum Liefern eine Gemischs von Luft und Kraftstoff an den Motor, eine Steuereinheit zum derartigen Steuern der ein Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildenden Einrichtung, dass eine hohe Konzentration an Wasserstoff und anderen brennbaren Gasen, wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen in dem Abgas während des Startens des Motors erzeugt wird, und eine Luftversorgungseinrichtung für das Liefern von Sekundärluft stromabwärts mindestens eines Motorabgasventils während des Kaltstarts des Motors zum Bilden eines Gasgemischs mit dem Abgas. Der Motor ist mit einer Vielzahl von primären Abgas-Auslassrohren versehen, die zum Optimieren eines externen Gasaustausch-Systems des Motors gestaltet sind. Ferner ist die Steuereinheit dafür bestimmt, die Erzeugung von Wasserstoff und den Betrieb der Luftversorgungseinrichtung zu steuern, wodurch eine Abgas-Oxidation in dem Gasgemisch derart erzeugt wird, dass während der Oxidation erzeugte Wärmeenergie dem Katalysator zugeführt wird, wodurch für eine Verringerung der Aufwärmzeit des Katalysators gesorgt wird.
Die Erfindung ist insbesondere für Motoren mit so genannten primären Abgas-Auslassrohren zweckmäßig. Diese Rohre entsprechen in ihrer Anzahl der Anzahl der Zylinder des Motors. Die primären Abgas-Auslassrohre, im Folgenden einfach als "Primärrohre" bezeichnet, sind als Rohrelemente gestaltet, die an den entsprechenden Zylinderauslässen des Motors angeordnet sind. Die Primärrohre von den Zylindern treffen zusammen, um einen Sammelraum zu bilden, zu dem das Abgas aller Zylinder geleitet wird. Das Abgas wird durch die Primärrohre, über den Sammelraum und ein herkömmliches Abgasrohr geleitet, das zum Katalysator führt. Die Geometrie jedes Primärrohres wird abhängig von den Strömungsanforderungen ausgewählt, die durch den Brennraum und den Einlasskrümmer und die Luft-/Kraftstoff-Einlassrohre festgelegt sind. Auf diese Weise kann der Motor optimiert werden, um eine hohe Leistung und einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad zu erreichen.
Ein anderer wichtiger Faktor, der durch die Geometrie der Auslassrohre und des Auslasskrümmers beeinflusst wird, ist die Menge an Rückständen im Brennraum. Eine optimale Auslegung kann den Kraftstoffverbrauch verringern, ohne zu Problemen mit einer instabilen Verbrennung zu führen.
Vorzugsweise sind die primären Abgas-Auslassrohre mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt ausgebildet, wobei der zweite Abschnitt eine größere Querschnittsfläche als der erste Abschnitt aufweist.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Verringern der Emissionen in Katalysator-Abgassystemen bzw. Abgassystemen mit katalytischem Konverter für Motoren mit Abgasturbolader zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Verringern der Emissionen in einem Katalysator-Abgassysteme für einen mit einer Turbolader-Einrichtung versehenen Verbrennungsmotor gelöst, der ein Abgasrohr, welches den Motor mit dem Katalysator verbindet, eine ein Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildende Einrichtung zum Liefern eines Gemisches von Luft und Kraftstoff an den Motor, eine Steuereinheit zum derartigen Steuern der Luft-/Kraftstoffgemisch bildenden Einrichtung, dass eine hohe Konzentration von Wasserstoff und anderen brennbaren Gasen, wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, in dem Abgas während des Startens des Motors erzeugt wird, und eine Luftversorgungseinrichtung für das Liefern von. Sekundärluft stromabwärts mindestens eines Motorabgasventils während des Kaltstarts des Motors zum Bilden eines Gasgemisches mit dem Abgas umfasst. Die Steuereinheit ist zum Erzeugen einer Abgas-Oxidation im Gasgemisch eingerichtet und der Motor ist mit einem Abgas-Krümmer versehen, dessen Volumen so abgestimmt ist, dass eine Abgas-Oxidation im wesentlichen aller brennbaren Bestandteile in dem Gasgemisch erreicht wird, bevor das Gasgemisch der Turbolader-Einrichtung zugeführt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst mittels einer Vorrichtung zum Verringern der Emissionen in einem Katalysator-Abgassystem für einen mit einer Turbolader-Einrichtung ausgerüsteten Verbrennungsmotor, der ein Abgasrohr, welches den Motor mit dem Katalysator verbindet, eine ein Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildende Einrichtung zum Liefern eines Gemischs von Luft und Kraftstoff an den Motor, eine Steuereinheit zum derartigen Steuern der Luft-/Kraftstoffgemisch bildenden Einrichtung, dass eine hohe Konzentration von Wasserstoff und anderen brennbaren Gasen, wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, in dem Abgas während des Startens des Motors erzeugt wird, und eine Luftversorgungseinrichtung für das Liefern von Sekundärluft stromabwärts mindestens eines Motorabgasventils während des Kaltstarts des Motors zum Bilden eines Gasgemisches mit dem Abgas umfasst. Die Steuereinheit ist zum Erzeugen einer Abgas-Oxidation im Gasgemisch eingerichtet, wobei das Abgasrohr zur Bildung eines Bypass-Rohrs geteilt ist, um Abgas um die Turbine zu leiten, und ein Ventil im Bypass-Rohr angeordnet ist, das mit der Steuereinheit verbunden ist und während der Abgas-Oxidation in eine Offen-Stellung gesteuert werden kann.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Verringern der Emissionen in Katalysator-Abgassystemen bzw. Abgassystemen mit katalytischem Konverter zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens zum Verringern der Emissionen in einem Katalysator-Abgassystem für einen Verbrennungsmotor gelöst, bei dem der Katalysator verringerte Emissionen liefert, nachdem eine Aufwärmzeit während des Starts des Motors verstrichen ist, wobei der Katalysator und der Motor durch ein Abgasrohr verbunden sind und der Motor mit zumindest zwei primären Abgas-Auslassrohren versehen ist, die in einem Sammelraum zusammenlaufen, welcher einen Teil des Aulasskrümmers bildet. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Liefern eines Gemisches von Luft und Kraftstoff über eine ein Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildende Einrichtung, Steuern der Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildenden Einrichtung derart, dass eine hohe Konzentration von Wasserstoff und anderen brennbaren Gasen, wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, im Abgas während des Starts des Motors erzeugt wird, Liefern von Sekundärluft stromabwärts zumindest eines Motorabgasventils während eines Kaltstarts des Motors zum Bilden eines Gasgemischs mit dem Abgas und Erzeugen einer Oxidation des Gasgemischs in den primären Abgas-Auslassrohren, dem Abgas-Krümmer und dem Abgasrohr, so dass mittels dieser Oxidation erzeugte Wärmeenergie dem Katalysator zugeführt wird, wodurch eine Verringerung der Aufwärmzeit des Katalysators erreicht wird.
Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Verringern der Emissionen in Katalysator-Abgassystemen bzw. Abgassystemen mit katalytischem Konverter zur Verwendung in Motoren mit Abgasturbolader zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens zum Verringern der Emissionen in einem Katalysator-Abgassystem für einen Verbrennungsmotor gelöst, wobei der Katalysator und der Motor durch ein Abgasrohr verbunden sind und der Motor mit einer Turbolader-Einrichtung ausgerüstet ist und eine Vielzahl von Abgasauslässen in einem Sammelraum zusammenlaufen, der einen Teil eines Auslasskrümmers bildet, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Liefern eines Gemisches von Luft und Kraftstoff über eine ein Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildende Einrichtung zum Motor, Steuern der Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildenden Einrichtung derart, dass eine hohe Konzentration von Wasserstoff und anderen brennbaren Gasen, wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, im Abgas während des Starts des Motors erzeugt wird, Liefern von Sekundärluft stromabwärts zumindest eines Motorabgasventils während eines Kaltstarts des Motors zum Bilden eines Gasgemischs mit dem Abgas und Erzeugen einer Oxidation des Gasgemischs in dem Sammelraum in einer Weise, dass eine Abgas-Oxidation im wesentlichen aller brennbaren Bestandteile in dem Gasgemisch stattfindet, bevor das Gasgemisch zur Turbolader-Einrichtung geleitet wird, wobei die mittels der Oxidation erzeugte Wärmeenergie dem Katalysator zugeführt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf besondere, in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugmotors und eines Abgassystems mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine etwas vergrößerte Darstellung eines Abgasauslasses, der erfindungsgemäß, verwendet wird,
3 schematisch den Oxidationsprozess im Abgas-Krümmer und
4 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt in vereinfachter Weise ein System, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung eingebaut ist. Das System ist in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor 1 angeordnet, der ein herkömmlicher Saugmotor ist. In bekannter Weise wird der Motor 1 über einen Einlasskrümmer 2 mit einem Luft-/Kraftstoff-Gemisch versorgt. Ferner ist der Motor 1 mit einem katalytischen Konverter bzw. Katalysator 3 verbunden, der vorzugsweise die Bauart eines herkömmlichen Dreiwegekatalysators aufweist, welcher zur Verringerung der schädlichen Substanzen Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoff (HC) und Stickoxiden (NOx) bestimmt ist, die im Abgas vorhanden sind. Das Abgas wird vom Motor 1 über ein Abgasrohr 4 ausgestoßen.
Stromab des Motors 1 ist das Abgasrohr 4 an den Auslasskrümmer 5 angeschlossen, durch den das Abgas geleitet wird. 1 zeigt drei Zylinderauslässe in Form von primären Abgas-Auslassrohren oder "Primärrohren" 6, 7, 8, was zeigt, dass der Motor 1 von dem Typ ist, der sechs Zylinder aufweist, die in zwei Bänken mit jeweils drei Zylindern angeordnet sind. Es ist zu bemerken, dass 1 eine vereinfachte Ansicht des Motors 1 zeigt, und dass bestimmte Teile, wie Zylinderkolben und Ventile des Motors nicht dargestellt sind. Es ist auch zu bemerken, dass die Erfindung bei Motoren mit anderen Zylinderanordnungen angewendet werden kann. Der Abgas-Krümmer 5 ist so gestaltet, dass sich die Primärrohre 6, 7, 8 jeweils von dem entsprechenden Zylinder des Motors 1 zu einem gemeinsamen Raum, dem so genannten Sammelraum erstrecken, der stromauf des Abgasrohrs 4 angeordnet ist. Der Hauptzweck der Primärrohre 6, 7, 8 ist es, das externe Gaswechselsystem des Motors 1 zu optimieren.
Wenn die Abgase durch den Katalysator 3 hindurchgeströmt sind, werden sie durch das nicht dargestellte Schalldämpfersystem hindurch in die Atmosphäre ausgestoßen. Dies ist durch einen Pfeil 9 angedeutet.
Um ein geeignetes Luft-/Kraftstoffgemisch zu erhalten, ist der Motor 1 mit einer Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildenden Einrichtung 10 ausgestattet, die im Einlasskrümmer 2 angeordnet ist. Der Betrieb der Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildenden Einrichtung 10 wird durch eine elektronische Steuereinheit 11 über eine elektrische Verbindung 12 gesteuert. Die Gemisch bildende Einrichtung 10 umfasst mindestens eine nicht dargestellte Kraftstoffeinspritzeinrichtung und ein nicht dargestelltes Lufteinlassventil. Die Steuereinheit 11 ist dafür bestimmt, das Luft-/Kraftstoff-Gemisch an den Motor 1 entsprechend seiner Betriebsbedingungen anzupassen.
Die Steuereinheit 11 ist auch mit verschiedenen Sensoren und Steuerfunktionen des Motors 1 verbunden. Die Steuereinheit 11 ist an sich bekannt , sie ist jedoch mit bestimmten zusätzlichen Steuerfunktionen ausgestattet, wie aus Folgendem klar wird. Ein Abgassensor, vorzugsweise in Form eines Sauerstoffsensors 13 ist im Abgasrohr 4 angeordnet und liefert über eine elektrische Verbindung 14 ein Signal an die Steuereinheit 11, das die Sauerstoffkonzentration im Abgas anzeigt. Darüber hinaus ist ein Temperatursensor 15 in Verbindung mit dem Katalysator 3 angeordnet, um über eine weitere elektrische Verbindung 16 eine Temperaturanzeige des Katalysators 3 an die Steuereinheit 11 zu liefern. Es ist zu bemerken, dass die die Temperatur des Katalysators 3 betreffende Information in der Steuereinheit 11 auch mittels eines Softwaremodells beschafft werden kann, das eine Messung der Temperatur als Funktion eines oder mehrerer verschiedener Betriebsparameter des Motors 1, zum Beispiel der Temperatur des Kühlwassers und der Umgebungstemperatur, liefert. Mittels solcher Parameter kann in der Steuereinheit 11 ein Wert entsprechend einer "erwarteten" Katalysatortemperatur berechnet werden. Dieser Wert kann verwendet werden, um das Vorrichtung gemäß den im Folgenden erläuterten Prinzipien zu steuern. Es ist zu bemerken, dass kein separater Temperatursensor 15 erforderlich ist, wenn die Temperatur des Katalysators 3 mittels eines Softwaremodells berechnet werden soll.
Mittels zusätzlicher (nicht gezeigter) Sensoren. z. B. eines Sensors für das Kühlwasser des Motors und die umgebende Atmosphäre, eines Motordrehzahlsensors, eines Kurbelwellen-Lagesensors des Motors, eines Luftmassen-Durchflussmessgeräts und einer Drosselklappen-Winkelanzeige wird die Steuereinheit 11 mit Informationen bezüglich des Betriebs des Motors versorgt. In bekannter Weise steuert die Steuereinheit 11 das Luft-/Kraftstoffgemisch gemäß aller gegebenen Betriebsbedingungen des Motors.
Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit 11 dafür bestimmt, den Betrieb des Motors 1 während des Kaltstarts in einer Weise zu steuern, dass eine relativ hohe Wasserstoffkonzentration im Abgas erhalten wird. Im Hinblick darauf wird das Luft-/Kraftstoffgemisch für den Motor 1 so gesteuert, dass ein stöchiometrisches Luft-/Kraftstoffverhältnis von ungefähr λ = 0,6–0,8 erreicht wird, d. h. dem Luft-/Kraftstoff-Gemisch wird ein Überschuss an Kraftstoff gegeben, der gemäß den zuvor beschriebenen bekannten Prinzipien eine bestimmte Menge an Wasserstoff und Kohlenmonoxid im Abgas erzeugt.
Zusätzlich zum Kraftstoffüberschuss, der in dem dem Motor zuzuführenden Luft-/Kraftstoff-Gemisch vorhanden ist, sind die Motordrehzahl und der Zündzeitpunk Faktoren, die ebenfalls die Menge an erzeugtem Wasserstoff bestimmen. Jedoch die Wasserstoffkonzentration im Abgas wird im Wesentlichen durch den stöchiometrischen Kraftstoffüberschuss bestimmt. Das angereicherte Luft-/Kraftstoff-Gemisch, das während dieses Kaltstart-Vorgangs vorhanden ist, liefert eine Wasserstoffkonzentration im Abgas, die vorzugsweise ungefähr 4– 6% des gesamten Gasvolumens beträgt.
Ferner und erfindungsgemäß sollte dem Abgas zusätzliche Luft oder Sekundärluft zugefügt werden, wobei ein Gasgemisch erzeugt wird, das Abgas und Sekundärluft enthält. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird diese Sekundärluft mittels eines Luftzuführsystems in Form einer Luftpumpe 17 bzw. einer Luftversorgungseinrichtung zugeführt, deren Auslass über eine Luftleitung 18 mit dem Auslasskrümmer 5 verbunden ist. Die Luftpumpe 17, die an die Steuereinheit 11 über eine elektrische Verbindung 19 angeschlossen ist, wird vorzugsweise so betrieben, dass sie in dem Zeitraum Sekundärluft liefert, in dem im Abgas ein Überschuss an Wasserstoff und Kohlenmonoxid erzeugt wird, d. h. in dem Zeitraum bis zu einem gewünschten Niveau der Reinigung des Abgases von schädlichen Bestandteilen durch den Katalysator 3 während des Kaltstarts. Das gewünschte Niveau kann dem zuvor beschriebenen 50%-Wert entsprechen oder auch nicht.
Die Luftleitung 18 ist mit einer Anzahl von Zweigluftleitungen 20, 21, 22 versehen, deren Auslässe in einem entsprechenden Primärrohr 6, 7 beziehungsweise 8 enden. Es ist zu bemerken, dass die Anzahl der Zweigluftleitungen der Luftleitung 18 vorzugsweise der Anzahl der Primärrohre des Motors 1 entspricht.
Die Luftpumpe 17 ist so eingerichtet, dass sie durch die Steuereinheit 11 gesteuert wird, um einen Sekundärluftstrom aus der Atmosphäre zu liefern, wobei der Strom durch eine Einlassleitung 23 angesaugt wird, die einen Teil der Luftpumpe 17 bildet. Darüber hinaus ist die Luftpumpe 17 so ausgelegt, dass sie einen Luftstrom mit ausreichendem Druck liefert, um das gewünschte Luft-/Kraftstoff-Verhältnis im Abgasgemisch sicherzustellen.
Ferner und gemäß bekannter Prinzipien führt die Wasserstoffkonzentration in den Abgasen in Verbindung mit dem Zufügen von Sekundärluft zum Abgas zu einer gesteigerten Oxidation brennbarer Bestandteile im Abgas. Mehr im Einzelnen werden der Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff im Abgas mit dem durch die Sekundärluft zugeführten Sauerstoff reagieren, wenn eine bestimmte Grenzwerttemperatur T₁ im Gasgemisch erreicht ist. Diese durchschnittliche Grenzwerttemperatur T₁ beträgt ungefähr 300–450°C.
Das erfindungsgemäße Abgassystem kann auch mit einem so genannten Kohlenwasserstoff-Adsorber 24 ausgerüstet werden, der stromauf vom Katalysator 3 angeordnet oder alternativ in den Katalysator 3 integriert ist. Während des Betriebes des Motors 1 adsorbiert der Kohlenwasserstoff-Adsorber 24 im Abgas vorhandene Kohlenwasserstoffverbindungen. Wenn die Temperatur des Abgases, und damit auch des Kohlenwasserstoff-Adsorbers 24 einen bestimmten Grenzwert überschreitet, desorbiert der Kohlenwassertstoff-Adsorber 24 die bis dahin darin gesammelten Kohlenwasserstoffe. Dieser Grenzwert, der das Gleichgewichtsstadium darstellt, liegt üblicherweise unter der Aufwärmtemperatur des Katalysators. Ein relativ langsames Ansteigen der Abgastemperatur, das üblicherweise bei herkömmlichen Motoren auftritt, ergibt daher eine begrenzte Menge von adsorbiert zurückbleibenden Kohlenwasserstoffen, bis der Katalysator seine Aufwärmtemperatur erreicht hat. Jedoch der schnelle Anstieg der Abgastemperatur aufgrund der Erfindung verringert die vom Kohlenwasserstoff-Adsorber 24 desorbierte Menge bevor der Katalysator 3 seine Aufwärmtemperatur erreicht hat.
2 zeigt in größerem Maßstab eine perspektivische Ansicht eines Primärrohrs 6, d. h. einen der in 1 dargestellten Zylinderauslässe. Die Abgase des Motors 1 werden über zwei Auslassventile bzw. Motorabgasventile 25, 26 ausgestoßen. Aus Gründen der Klarheit zeigt 2 auch einen Kolben 27, der einen Teil des Motors bildet. Für den Fachmann ist leicht zu erkennen, dass der Motor zum Beispiel sechs Zylinder aufweisen kann, von denen jeder ein Primärrohr mit der gleichen Gestalt hat wie das in 2 dargestellte.
Ferner ist die Zweigluftleitung 20 im Primärrohr 6 derart angeordnet, dass sie dicht bei den Motorabgasventilen 25, 26 endet. Vorzugsweise ist die Zweigluftleitung 20 so angeordnet, dass die eingeblasene Sekundärluft auf einen Punkt gerichtet ist, der im Wesentlichen auf halbem Weg zwischen den Motorabgasventilen 25, 26 liegt. Die Zweigluftleitung 20 ist als eingeformte bzw. gegossene Leitung im Zylinderkopf des Motors ausgebildet. Es ist zu anzumerken, dass das Luftzuführsystem alternativ mit einer Zweigluftleitung für jedes Motorabgasventil ausgelegt sein kann.
Erfindungsgemäß wird das Primärrohr 6 (ebenso wie die anderen in 1 dargestellten Primärrohre 7 und 8) durch eine ersten rohrförmigen Abschnitt 28 und einen zweiten rohrförmigen Abschnitt 29 gebildet. Der zweite rohrförmige Abschnitt 29 hat eine Querschnittsfläche, die diejenige des ersten Abschnitts 28 übersteigt. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts 29 ungefähr zwei- bis fünfmal so groß wie die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 28 senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases gesehen. Die Abschnitte 28, 29 sind vorzugsweise kreisförmig, aber andere Formen sind innerhalb des Umfangs der Erfindung ebenfalls möglich, zum Beispiel können sie rechteckig oder elliptisch sein. Der Übergang vom ersten Abschnitt 28 zum zweiten Abschnitt 29 ist vorzugsweise ausgerichtet angeordnet, d. h. bündig mit der Oberseite des Zylinderkopfs des Motors 1.
Im Folgenden wird die Arbeitsweise der Erfindung beschrieben. Der Motor 1 arbeitet nach dem Viertaktverfahren. Dies bedeutet, dass die Motorabgasventile 25, 26 während der Kompressions- und Expansionsphasen des Motors 1 geschlossen sind. Während dieses Zeitraums wird der erste Abschnitt 28 über die Zweigluftleitung 20 im Wesentlichen mit Sekundärluft gefüllt. Auch der zweite Abschnitt 29 wird normalerweise zumindest zum Teil mit Sekundärluft gefüllt. Wenn die Motorabgasventile 25, 26 geöffnet werden, wird das Abgas ausgestoßen und bildet zusammen mit der Sekundärluft das zuvor beschriebene Gasgemisch. Der Betrieb der Luftpumpe 17 zum Einblasen von Sekundärluft wird durch die Steuereinheit 11 so gesteuert, dass eine Oxidation des Gasgemischs bewirkt wird. Die Vorrichtung wird vorzugsweise so betrieben, dass ein Luft-/Kraftstoffverhältnis des Gasgemischs von ungefähr λ = 1,0–1,3 erreicht wird.
Der Oxidationsprozess im Primärrohr 6 ist schematisch in 3 dargestellt, die die Temperatur T des Gasgemischs (d. h. des Gemischs aus Sekundärluft und Abgas) als Funktion der Zeit t darstellt. Es ist zu bemerken, dass das Gasgemisch beim Vergehen der Zeit t im Primärrohr 6 entlang strömt. Folglich bezieht sich die Temperatur T zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht auf eine spezielle Lage im Primärrohr 6.
Wenn die Motorabgasventile 25, 26 geöffnet erden (d. h. t = 0), verursacht das schnelle Mischen des Abgases mit der Sekundärluft, dass das Gasgemisch einen Teil seiner Wärmeenergie verliert und infolgedessen seine Temperatur verringert wird (3 Schritt 30). Jedoch die Oxidation des Gasgemischs, die dann nach einem kurzen Zeitablauf stattfindet, wird die Temperatur steigern (Schritt 31). Die Lage des zweiten Abschnitts 29, d. h. die Länge des ersten Abschnitts 28, kann in einer Entfernung gewählt werden, die von den Motorabgasventilen 25, 26 weiter entfernt ist, weil ein Temperaturanstieg im ersten Abschnitt 28 stattfindet. Ferner wird durch die Tatsache, dass das Gasgemisch im ersten Abschnitt 28 entlang strömt, die Temperatur T des Gasgemischs aufgrund der Kühlwirkung verringert (Schritt 32), die die inneren Wände des ersten Abschnitts 28 auf das Gasgemisch ausüben.
Wenn der "Puls" des Gasgemischs den zweiten Abschnitt 29 erreicht, führt der Übergang vom ersten Abschnitt 28 zum zweiten Abschnitt 29 zu einer erneuten Verringerung der Temperatur (Schritt 33). Dies findet aufgrund der Tatsache statt, dass das Gasgemisch, das in den zweiten Abschnitt 29 strömt, mit einem relativ großen Gasvolumen gemischt wird (d. h. mit einem Gemisch aus Abgas und Sekundärluft), das dem zweiten Abschnitt 29 während der vorhergehenden Arbeitsphase zugeführt wurde. Das Volumen dieses "alten" Gasgemischs hängt vom Anwachsen des Volumens vom ersten Abschnitt 28 zum zweiten Abschnitt 29 ab, d. h. vom Verhältnis ihrer Querschnittsflächen.
Das expandierende Volumen im zweiten Abschnitt schafft einen Zugang zum Sauerstoff im "alten" Gasgemisch, so dass die Abgasoxidation weiter abgewickelt werden kann. Dieses Mischen wird durch Turbulenz unterstützt, die im zweiten Abschnitt 29 erzeugt wird. Dies wiederum führt zu einem Anstieg der Temperatur T des Gasgemischs (Schritt 34). Das Gasgemisch strömt dann den zweiten Abschnitt 29 entlang, was hauptsächlich aufgrund der Kühlwirkung der Innenwände des zweiten Abschnitts 29 noch einmal zu einer Verringerung der Temperatur T führt (Schritt 35). Danach erreicht das Gasgemisch den Sammelraum (vergl. 1), wo alle Primärrohre 6, 7, 8 zusammenlaufen. Die Temperatur T nimmt im Sammelraum aufgrund der Volumensteigerung noch einmal ab (Schritt 36). Schließlich wird die Abgasoxidation im Sammelraum und entlang dem Abgasrohr 4 fortgesetzt (Schritt 37). Die Wärmeenergie des Gasgemischs wird auf den Katalysator 3 übertragen (und auf den Kohlenwasserstoff-Adsorber 24, wenn eine solche Einrichtung verwendet wird), der schnell aufgeheizt wird.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, dass bei jeder Oxidationsstufe, von den Motorabgasventilen 25, 26 bis zum Abgasrohr 4, die kritische Temperatur, bei der Oxidation stattfinden kann, immer überschritten wird, weil das Mischen mit Luft bei jeder Stufe stattfindet. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, eine getrennte Zündeinrichtung zu verwenden, um das Gasgemisch zu zünden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass ein großer Teil der Abgasoxidation dicht beim Katalysator 3 stattfindet. Auf diese Weise treten sehr geringe Verluste an Wärmeenergie auf, bis das Gasgemisch den Katalysator 3 erreicht.
Das Ein- und Ausschalten der Luftpumpe 17 zum Einblasen von Sekundärluft wird durch die Steuereinheit 11 gesteuert, um eine Oxidation des Gasgemischs zu bewerkstelligen. Die Vorrichtung wird vorzugsweise so gesteuert, dass ein Luft-/Kraftstoffverhältnis von ungefähr λ = 1,0–1,3 erreicht wird. Auf diese Weise kann die Grenzwerttemperatur T₁ überschritten werden, so dass die Oxidation in drei verschiedenen Hauptstufen stattfindet, d. h. unmittelbar stromab der Motorabgasventile 25, 26, im Übergang zwischen dem ersten Abschnitt 28 und dem zweiten Abschnitt 29 des Primärrohrs 6 und im Sammelraum des Auslasskrümmers 5. Versuche haben ergeben, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung für einen Zeitbedarf bis zum Erreichen der Aufwärmtemperatur des Katalysators sorgt, der ungefähr gleich 5–10 Sekunden ist.
Die Oxidation findet derart statt, dass alle notwendigen Bedingungen (was zum Beispiel die Temperatur betrifft) erfüllt sind. Die erste Stufe der Oxidation schafft eine Möglichkeit die folgenden Stufen der Oxidation in einer größeren Entfernung von den Motorabgasventilen anzuordnen als es andernfalls möglich gewesen wäre. Auf dies Weise ist es möglich, den äußeren Gaswechsel des Motors mittels höherer Freiheitsgrade zu optimieren, die dieser "mehrstufige" Prozess schafft.
Es ist zu bemerken, dass die Steuereinheit 11 aufgrund dessen, dass sie Informationen bezüglich der Temperatur des Katalysators 3 enthält, darauf abgestimmt ist, die Zufuhr der Sekundärluft und die Erzeugung von Wasserstoff im Abgas abhängig von der Temperatur des Katalysators zu steuern. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass der Temperatursensor 15 mit der Steuereinheit 11 verbunden ist. Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann abhängig vom Temperaturwert gesteuert werden. Zum Beispiel können die Erzeugung von Wasserstoff und die Zufuhr von Sekundärluft abgeschaltet werden, wenn die Reinigung durch den Katalysator ein bestimmtes Niveau erreicht hat. Dieses Niveau kann aus einem Temperaturwert errechnet werden. Die Steuereinheit 11 kann auch so eingerichtet sein, dass sie die Erzeugung von Wasserstoff und die Zufuhr von Sekundärluft auslöst, wenn der Temperaturwert beim Starten des Motors niedriger als eine bestimmte Grenze liegt. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel errechnet die Steuereinheit 11 eine "erwartete" Katalysatortemperatur aus den Werten der Umgebungstemperatur, der Temperatur des Kühlwassers des Motors oder anderen verfügbaren Motorparametern. Der Oxidationsprozess wird fortgesetzt bis durch den Katalysator 3 ein gewünschtes Niveau der Umwandlung schädlicher Bestandteile im Abgas erreicht ist, wie aus der Katalysatortemperatur ermittelt wurde. Ein bestimmter Temperaturwert kann für das Starten des Oxidationsprozesses und ein anderer Temperaturwert kann für das Beenden des Oxidationsprozesses verwendet werden.
Es ist zu bemerken, dass der Anstieg der Temperatur bei der erfindungemäßen Vorrichtung so schnell erfolgt, dass ein wesentlicher Teil der Kohlenwasserstoffbestandteile aus dem Kohlenwasserstoff-Adsorber nicht desorbiert wird, trotz der Tatsache, dass dies normalerweise stattgefunden hätte (während des Gleichgewichts).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Steuereinheit 11 darauf abgestimmt sein, die Oxidation derart zu steuern, dass im Wesentlichen keine Oxidation auftritt, bis das Abgas den Katalysator erreicht. Dies wird erreicht durch Einstellen des Zündverzugs des Motors auf einen Wert, der im Wesentlichen normalem Leerlauf entspricht, d. h. der Zündzeitpunkt ist nicht verzögert. Der Vorteil diese Betriebes liegt darin, dass im Abgas-Krümmer sehr geringe Verluste an Wärmeenergie auftreten.
4 zeigt schematisch ein System, das ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält, das in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor 38 angeordnet ist, der mit einer Turbolader-Einrichtung 39 versehen ist. Die Turbolader-Einrichtung ist vorbekannt und enthält eine Turbine 40, durch die das Abgas über ein Abgasrohr 41 geleitet wird. Das Abgas wird weiter zu einem Katalysator 42 geleitet, der vorzugsweise ein herkömmlicher Dreiwegekatalysator ist.
Die Turbine 40 ist auf einer Welle 43 angeordnet, die sie gemeinsam mit einem Verdichterlaufrad 44 hat, das Luft aus der Atmosphäre über eine Einlassleitung 45 in den Motor 38 drückt. In herkömmlicher Weise wird diese Einlassluft in einer ein Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildenden Einrichtung 46 mit Kraftstoff gemischt, wobei die Gemisch bildende Einrichtung 46 im Allgemeinen der zuvor beschriebenen ähnlich ist. Die Gemisch bildende Einrichtung 46 wird durch eine elektronische Steuereinheit 47 über eine elektrische Verbindung 48 gesteuert. Die Gemisch bildende Einrichtung 46 umfasst mindestens eine (nicht dargestellte) Kraftstoffeinspritzeinrichtung und ein (nicht dargestelltes) Lufteinlassventil und kann so gesteuert werden, dass das Luft-/Kraftstoffgemisch für den Motor 38 dessen Betriebsbedingungen angepasst wird.
Die Steuereinheit 47 ist auch mit verschiedenen Sensoren und Steuerfunktionen des Motors 38 verbunden. Dies ist im Allgemeinen ähnlich, wie es unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde. Im Einzelnen umfasst das System einen Sauerstoffsensor 49, der über eine elektrische Verbindung 50 mit der Steuereinheit 47 verbunden ist und einen über eine weitere elektrische Verbindung 52 mit der Steuereinheit 47 verbundenen Temperatursensor 51 für den Katalysator 42.
Die Steuereinheit 47 ist dafür bestimmt, den Betrieb des Motors 38 während des Kaltstarts in einer Weise zu steuern, dass eine relativ hohe Konzentration von Wasserstoff im Abgas erzielt wird. Darüber hinaus ist die Steuereinheit 47 darauf eingerichtet, eine Luftversorgungseinrichtung in Form einer Luftpumpe 53 zu steuern, die eine Einlassleitung 54 für Luft von der Atmosphäre und eine mit dem Abgas-Krümmer 56 verbundene Luftleitung 55 am Auslass aufweist. Die Luftpumpe 53, die über eine elektrische Verbindung 57 mit der Steuereinheit 47 verbunden ist, wird vorzugsweise so betrieben, dass sie während des Zeitraums, in dem ein Überschuss an Wasserstoff im Abgas erzeugt wird, Sekundärluft liefert. Weil das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eine Turbolader-Einrichtung 39 umfasst, ist der Abgasdruck im Vergleich mit einem Motor ohne Turbolader-Einrichtung erhöht. Folglich muss die Luftpumpe 53 daran angepasst sein, Luft mit einem Luftdruck zuzuführen, der hoch genug ist, um trotz des darin herrschenden hohen Druckes Luft in den Abgas-Krümmer 56 zu drücken.
Der Motor 38 ist mit einem Abgas-Krümmer 56 dargestellt, der drei Zylinderauslässe 58, 59, 60 aufweist, die zeigen, dass der Motor 38 ein Sechszylindermotor ist. Um während des Betriebes ein schnelles Ansprechen der Turbolader-Einrichtung 39 zu erreichen, wird das Volumen des Abgas-Krümmers 56 vorzugsweise so klein wie möglich gehalten, während dennoch die Verweilzeit des Abgases stromauf der Turbine 40 genügend lang gehalten wird, um eine Abgasoxidation im Wesentlichen aller brennbaren Bestandteile im Abgas zu erzielen, bevor das Gasgemisch zur Turbine 40 geleitet wird.
Die Luftleitung 55 ist mit drei Zweigluftleitungen 61, 62, 63 konstruiert, die jeweils einem der Zylinderauslässe 58, 59, 60 entsprechen. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Zylinderauslässe 58, 59, 60 mit Primärrohren der zuvor beschriebenen Art versehen sein.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel und während des Kaltstarts des Motors 38 wird Sekundärluft mit dem Abgas gemischt. Dies bewirkt eine Abgas-Oxidation, die die Wärmeenergie im Abgassystem steigert.
Die Turbolader-Einrichtung ist mit einem nicht dargestellten Nebenauslassventil versehen, das in Verbindung mit der Turbine 40 angeordnet ist. Das Nebenauslassventil kann geöffnet werden, um einen Bypass zu bilden, wenn der Abgasdruck zu hoch werden sollte.
Vorzugsweise ist das Nebenauslassventil elektrisch steuerbar. Jedoch kann auch ein druckgesteuertes Nebenauslassventil verwendet werden. Das Nebenauslassventil ist an die Steuereinheit 47 über eine weitere elektrische Verbindung 64 angeschlossen. Während des Kaltstarts, d. h. wenn die Steuereinheit 47 festgestellt hat, dass eine Abgas-Oxidation ausgelöst werden sollte, kann das Nebenauslassventil so gesteuert werden, dass es seine geöffnete oder teilweise geöffnete Stellung einnimmt, um den Druck im Abgas-Krümmer 56 zu steuern. Dies wiederum ermöglicht es, die Oxidation zu optimieren.
Ferner zweigt vom Abgasrohr 41 vorzugsweise ein Bypass-Rohr 65 ab, das mit einem steuerbaren Bypass-Ventil 66 ausgestattet ist. Das Bypass-Ventil 66 ist an die Steuereinheit 47 über eine elektrisch Verbindung 67 angeschlossen. Mittels dieser Anordnung ist die Steuereinheit darauf eingerichtet, die Wirkung des Bypass-Ventils 66 zu steuern, so dass das Abgas im Bypass um die Turbine 40 strömt. Dies ist besonders vorteilhaft während des Kaltstarts, weil die Abgas-Oxidation dann im Bypass-Rohr 65 und weiter stromab im Abgassystem stattfinden kann. Das in 4 dargestellte steuerbare Bypass-Ventil 66 ist am stromauf gelegenen Ende des Bypass-Rohrs 65 angeordnet. Alternativ kann das Bypass-Ventil 66 stattdessen am stromabgelegenen Ende des Bypass-Rohrs angeordnet sein. Darüber hinaus kann das Bypass-Ventil 66 integral mit dem zuvor beschriebenen Nebenauslassventil ausgebildet sein, wodurch ein einzelnes steuerbares Ventil gebildet wird, das zum Steuern des Abgases verwendet werden kann.
Das Bypass-Rohr 65 ist vorzugsweise relativ groß dimensioniert. Auf diese Weise kann das Volumen des Abgas-Krümmers 56 relativ klein sein, was wiederum ein schnelleres Ansprechen des Turbobetriebs herbeiführt. Ferner bieten kleine Abmessungen des Abgas-Krümmers 56 den Vorteil, dass das Motorsystem kompakter wird.
Gemäß einem nicht in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel können die nicht dargestellten Primärrohre und/oder das Bypass-Rohr 65 aus zwei oder mehr Abschnitten mit verschiedenen Querschnittsflächen bestehend konstruiert sein, ähnlich wie es in 2 dargestellt ist.
Vorzugsweise ist die in 4 dargestellte Vorrichtung mit einem Kohlenwasserstoff-Adsorber 68 stromauf vom Katalysator 42 ausgerüstet. Die Betriebsweise dieses Kohlenwasserstoff-Adsorbers ist die gleiche, wie sie zuvor beschrieben wurde.
Während die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese beschränkt, sondern kann innerhalb des Umfangs der Patentansprüche in weitem Maße variiert werden. Zum Beispiel können die Primärrohre mit mehr als zwei Abschnitten mit unterschiedlichen Querschnittsflächen versehen sein.
Darüber hinaus kann gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der zuvor beschriebene Kohlenwasserstoff-Adsorber weggelassen werden. Auch kann bei noch einem anderen alternativen Ausführungsbeispiel das Bypass-Rohr 65 mit seinem Bypass-Ventil 66 (vergl. 4) im Abgassystem wegegelassen werden. Schließlich können im Fall, wo das Bypass- Rohr 65 verwendet wird, die Zylinderauslässe mit Primärrohren der gleichen Art, wie es in 1 dargestellt ist, versehen werden.

Claims

Vorrichtung zum Verringern der Emissionen in einem Katalysator-Abgassystem für einen Verbrennungsmotor (1), wobei der Katalysator (3) verringerte Emissionen liefert, nachdem eine Aufwärmzeit während des Startens des Motors (1) verstrichen ist, mit: einem Abgasrohr (4), welches den Motor (1) mit dem Katalysator (3) verbindet, einer Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildenden Einrichtung (10) zum Liefern eines Gemischs von Luft und Kraftstoff an den Motor (1), einer Steuereinheit (11) zum derartigen Steuern der Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildenden Einrichtung (10), daß eine hohe Konzentration von Wasserstoff und anderen brennbaren Gasen, wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, in dem Abgas während des Startens des Motors (1) erzeugt worden ist, und einer Luftversorgungseinrichtung (17) für das Liefern von Sekundärluft stromabwärts des zumindest einen Motorabgasventils während des Kaltstarts des Motors (1) zum Bilden eines Gasgemisches mit dem Abgas, wobei der Motor (1) mit einer Vielzahl von primären Abgas-Auslaßrohren (6, 7, 8) versehen ist, wobei jedes von einem Zylinder des Motors in einen Sammelraum ausgeht und zum Optimieren eines externen Gasaustausch-Systems des Motors (1) gestaltet ist, wobei die primären Abgas-Auslaßrohre (6, 7, 8) mit einem ersten Abschnitt (28) und einem zweiten Abschnitt (29) gebildet sind, wobei der zweite Abschnitt (29) eine größere Querschnittsfläche als der erste Abschnitt (28) aufweist, wobei der zweite Abschnitt (29) bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases stromabwärts des ersten Abschnitts (28) angeordnet ist, und wobei durch die Steuereinheit (11) die Erzeugung von Wasserstoff und der Betrieb der Luftversorgungseinrichtung (17) steuerbar ist, wodurch eine Abgas-Oxidation in dem Gasgemisch derart erzeugbar ist, daß während der Oxidation erzeugte Wärmeenergie, welche an den Katalysator (3) geliefert wird, wodurch für eine Verringerung der Aufwärmzeit des Katalysators (3) gesorgt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts (29), senkrecht zu der Abgas-Strömungsrichtung betrachtet, näherungsweise zwei- bis fünfmal die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts (28) beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Motor (1) mit einem Zylinderkopf versehen ist, wobei das stromaufwärtsseitige Ende des zweiten Abschnitts (29) mit der Oberseite des Zylinderkopfs ausgerichtet angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei durch die Steuereinheit (11) die Erzeugung von Wasserstoff und der Betrieb der Luftversorgungseinrichtung (17) in Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysators (3) steuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Katalysator (3) mit einem Temperatursensor (15) ausgerüstet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei durch die Steuereinheit (11) ein Näherungswert der Temperatur in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Motors (1) berechenbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Kohlenwasserstoff-Adsorber (24) stromaufwärts des Katalysators (3) oder integriert innerhalb des Katalysators (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Motor (38) eine Turbolader-Einrichtung (39) aufweist, wobei der Motor (38) mit einem Abgas-Krümmer (56) versehen ist, durch dessen Volumen eine Abgas-Oxidation im wesentlichen aller brennbaren Komponenten in dem Gasgemisch erreichbar ist, bevor das Gasgemisch der Turbolader-Einrichtung (39) zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Turbolader-Einrichtung (39) mit einer Turbine (40) und einem Bypass-Ventil (66) versehen ist, welches in Verbindung mit der Turbine (40) angeordnet ist, wobei das Bypass-Ventil (66) durch die Steuereinheit (47) zum Steigern der Abgas-Oxidation steuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei ein Kohlenwasserstoff-Adsorber (68) stromaufwärts des Katalysators (42) oder integriert innerhalb des Katalysators (42) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Abgasrohr zum Bilden eines Bypass-Rohres (65) zum Führen von Abgas um die Turbine (40) geteilt ist und ein Ventil (66) in dem Bypass-Rohr (65) angeordnet ist, wobei das Ventil (66) mit der Steuereinheit (47) verbunden ist und in einen offenen Zustand während der Abgas-Oxidation steuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei durch die Steuereinheit (47) die Erzeugung von Wasserstoff und der Betrieb der Luftversorgungseinrichtung (53) in Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysators (42) steuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Katalysator (42) mit einem Temperatursensor (51) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei durch die Steuereinheit (47) ein Näherungswert der Temperatur in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Motors (38) berechenbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei ein Kohlenwasserstoff-Adsorber (68) stromaufwärts des Katalysators (42) oder integriert innerhalb des Katalysators (42) angeordnet ist.
Verfahren zum Verringern der Emissionen in einem Katalysator-Abgassystem für einen Verbrennungsmotor (1), wobei der Katalysator (3) verringerte Emissionen liefert, nachdem eine Aufwärmzeit während des Starts des Motors (1) verstrichen ist, wobei der Katalysator (3) und der Motor (1) durch ein Abgasrohr (4) verbunden sind, und wobei der Motor (1) mit zumindest zwei primären Abgas-Auslaßrohren (6, 7, 8) versehen ist, welche jeweils von einem Zylinder des Motors ausgehen und in einem Sammelraum (5) zusammenlaufen, welcher einen Teil des Abgas-Krümmers bildet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Liefern eines Gemisches von Luft und Kraftstoff an den Motor (1) über eine Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildende Einrichtung (10), Steuern der Luft-/Kraftstoff-Gemisch bildenden Einrichtung (10) derart, daß eine hohe Konzentration von Wasserstoff und anderen brennbaren Gasen, wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, in dem Abgas während des Starts des Motors (1) erzeugt werden, Liefern von Sekundärluft stromabwärts zumindest eines Motorabgasventils (25, 26) während eines Kaltstarts des Motors zum Bilden eines Gasgemisches mit dem Abgas, und Erzeugen einer Oxidation des Gasgemisches in den primären Abgas-Auslaßrohren (6, 7, 8) des Abgas-Krümmers und des Abgasrohres (4), wobei die Oxidation in den nachfolgenden Schritten gesteuert wird: Erzeugen einer ersten Oxidationsstufe in dem Gasgemisch im wesentlichen sofort stromabwärts des zumindest einen Abgasventils (25, 26), Mischen des Gasgemisches mit weiterer Luft, und Erzeugen einer zweiten Oxidationsstufe in dem Gasgemisch nach dem Mischen mit weiterer Luft, so daß Hitzeenergie, welche durch die Oxidation erzeugt wird, an den Katalysator (3) geliefert wird, wodurch eine Reduktion der Aufwärmzeit des Katalysators (3) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Erzeugung von Wasserstoff und der Betrieb der Luftversorgungseinrichtung abhängig von der Temperatur des Katalysators (3) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Motor (38) mit einer Turbolader-Einrichtung (40) versehen ist, und wobei eine vorbestimmte Menge des Gasgemisches um die Turbo-Einrichtung (40) in einem Bypass-Rohr (65) vorbeigeführt wird, wobei das Verfahren zusätzlich die Schritte aufweist: Erzeugen einer Oxidation des Gasgemisches in dem Sammelraum derart, daß eine Abgas-Oxidation im wesentlichen aller brennbaren Bestandteile in dem Gasgemisch auftritt, bevor das Gasgemisch der Turbo-Einrichtung (40) zugeführt wird, wobei die Wärmeenergie, welche durch die Oxidation erzeugt wird, an dem Katalysator (42) geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Erzeugung von Wasserstoff und der Betrieb der Luftversorgungseinrichtung abhängig von der Temperatur des Katalysators (42) vorgenommen wird.