DE69913149T2 - Katalysatorsystem für brennkraftmaschinen mit getrennter abfuhr und zwei katalysatoren - Google Patents

Katalysatorsystem für brennkraftmaschinen mit getrennter abfuhr und zwei katalysatoren Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Turboaufladung eines Verbrennungsmotors, bei dem die Aufladung durch einen vom Abgas angetriebenen Turbokompressor erfolgt, weist aus Sicht der Motortechnologie viele Vorteile auf und turbogeladene Motoren werden immer häufiger in Kraftfahrzeugen verwendet.
  • Ein Problem bei modernen, turbogeladenen Motoren besteht jedoch darin, dass es vergleichsweise lang nach dem Starten dauert, bis ein von dem Abgasturbolader stromabwärts angeordneter Katalysator einen guten Wirkungsgrad erreicht. Ein Grund hierfür besteht darin, dass die Abgasturbine beim Kaltstart einen Temperaturabfall bewirkt. Weiterhin bewirkt der schmale Einlass am Turbinenrad eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, die zu einem hohen Wärmeübertragungskoeffizienten führt. Das Gesamtergebnis ist eine große thermische Trägheit stromaufwärts vom Katalysator und als Folge davon eine verzögert einsetzende Wirkung des Katalysators. Weiterhin führt eine Anordnung des Katalysators stromabwärts vom Abgasturbolader zu einem vergleichsweise großen Abstand zwischen dem Motor und dem Katalysator. Raumerwägungen führen üblicherweise zu einer Anordnung des Katalysators weit weg vom Motor, oftmals unter dem Boden des Fahrzeugs.
  • GB-A-2280711 beschreibt einen Zweitaktmotor, bei dem jeder Zylinder einen oberen und einen unteren Abgasauslass aufweist, von denen ein jeder mit seiner eigenen Abgasführung verbunden ist, die in eine Hauptabgasleitung münden, die mit einem ersten Katalysator versehen ist. In der unteren Füh rung ist ein zweiter, kleiner Katalysator vorgesehen, und in der oberen Führung ist ein Steuerventil zur Steuerung der Strömungsverteilung zwischen der oberen und der unteren Führung angeordnet. Bei kaltem Motor ist lediglich die untere Führung geöffnet, während bei warmem Motor beide Führungen geöffnet sind. Wenn daher der Motor kalt ist, wird der Austritt von Abgasen durch den Aufwärtshub des Kolbens früh unterbrochen. Als Folge hiervon kann nur ein Bruchteil der Abgase den Zylinder verlassen, wenn der Motor kalt ist. Dies verzögert die Erwärmung des zweiten Katalysators im unteren Auslass. Die Verwendung eines Turboladers wird hier nicht angesprochen.
  • WO-A-9829646 beschreibt einen turbogeladenen Motor mit fünf Zylindern, bei dem vier Zylinder einen Turbolader ständig bedienen, sowohl wenn der Motor kalt als auch wenn er warm ist. Nur der fünfte Zylinder bedient einen kleinen Katalysator, sowohl wenn der Motor kalt als auch wenn er warm ist. Die Abgase von dem kleinen Katalysator und vom Turbolader werden einem Hauptkatalysator zugeführt. Auch in diesem Fall wird also nur ein Bruchteil der von dem kalten Motor erzeugten Abgase zur Erwärmung des kleinen Katalysators verwendet.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen hinsichtlich der Abgasbehandlung verbesserten Verbrennungsmotor. Eine weitere Aufgabe besteht darin, beim Kaltstart schneller als vorher eine wirksame Abgasreinigung zu erreichen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein eingangs genanntes Abgassystem mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Durch die Verwendung einer Anzahl von Auslassventilen in jedem Zylinder zur Aufteilung des Abgasstroms ist es möglich, einen vergleichsweise kleinen Katalysator nahe an dem Motor anzuordnen und während der Startphase das gesamte Abgas diesem Katalysator zuzuführen, bevor das Abgas einen herkömmlichen, stromabwärts angeordneten Katalysator erreicht. Der kleine Katalysator wird schnell wirksam und ist nur einem Teil der Abgase des Motors ausgesetzt, wenn der Motor warm ist.
  • Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders vorteilhaft für Turbomotoren, da sie bewirkt, dass die Abgase beim Starten nicht dem Abgasturbolader zugeführt werden müssen. Als Folge hiervon wird die Verzögerung einer wirksamen Abgasreinigung, die sonst bei Turbomotoren auftritt, vermieden.
  • Die Anordnung mit einer geteilten Abgasperiode ermöglicht es auch, den Motor wirksamer als bisher zu spülen, was zu einer verbesserten Motorleistung führt.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus der Beschreibung und den weiteren Patentansprüchen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Beschreibung der Figuren
  • Es zeigt:
  • 1 eine diagrammatische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgassystems,
  • 2 das Ventildiagramm für die Auslassventile eines Motors gemäß 1 im kalten Zustand,
  • 3 eine Darstellung gemäß 2 jedoch bei warmem Motor und
  • 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Einzelheit in 1.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt diagrammatisch ein erfindungsgemäßes Abgassystem einer Mehrzylinderverbrennungskraftmaschine 1. Die Zylinder des Motors weisen jeweils mindestens zwei Auslassventile 2 und 3 auf. Von den ersten Auslassventilen 2 der Zylinder wird das Abgas einem allen Zylindern gemeinsamen, ersten Abgaskrümmer 4 zugeführt, der über eine erste Abgasleitung 11 mit einem ersten Katalysator 10 verbunden ist. Von den zweiten Auslassventilen 3 der Zylinder wird das Abgas einem zweiten, gemeinsamen Abgaskrümmer 5 zugeführt, der über eine zweite Abgasleitung 12, in der sich ein zweiter Katalysator 13 befindet, mit dem ersten Katalysator 10 verbunden ist. Ein oder mehrere Schalldämpfer, nicht dargestellt, sind stromabwärts vom ersten Katalysator 10 in üblicher Weise angeordnet.
  • Das Abgassystem der 1 wird mit einem Turbomotor verwendet, das heißt, einem Motor bei dem eine Aufladung mittels eines Kompressors durchgeführt wird, der von einer abgasbetriebenen Turbine angetrieben wird. Die Abgasturbine 14 ist in diesem Fall mit der Abgasleitung 11 verbunden und wird daher von dem ersten Abgaskrümmer 4 und den ersten Auslassventilen 2 bedient. Ein von der Abgasturbine 14 angetriebener Kompressor 15 bedient den Motor mit Ladeluft, die hier in einem Ladeluftkühler 16 gekühlt wird, bevor sie auf herkömmliche Weise dem Motor zugeführt wird (nicht im Einzelnen dargestellt).
  • Wenn der Motor 1 gestartet wird, werden die ersten Ventile 2, solange der Motor noch kalt ist, geschlossen gehalten und der gesamte Abgasausstoß erfolgt über die zweiten Ventile 3, die die gesamten Abgase über den zweiten Abgaskrümmer 5 dem zweiten Katalysator 13 zuführen. Beim Starten ist die Motorhöchstleistung nicht erforderlich, so dass der zweite Katalysator 13 für einen vergleichsweise geringen Abgasstrom ausgelegt und nah oder sehr nah am Motor angeordnet werden kann. Auf diese Weise kann er schnell erwärmt werden und einen guten Wirkungsgrad erzielen, so dass beim Starten sehr schnell eine wirksame Abgasreinigung erreicht wird. Während der Wirkungsdauer des zweiten Katalysators 13 wird der erste Katalysator 10 erwärmt. Er ist üblicherweise nach einer Dauer von etwa 30 Sekunden nach dem Start einsatzbereit. Während auf diese Weise der erste Katalysator 10 erwärmt worden ist, werden die ersten Auslassventile 2 in Betrieb genommen, so dass sie Abgase in den ersten Abgaskrümmer 4 leiten können und von da aus zum ersten Katalysator 10. Ein gewisser Anteil des Abgasstroms kann weiterhin durch den zweiten Katalysator 13 auf dem Weg zum ersten Katalysator 10 hindurch treten. Gegebenenfalls kann ein Nebenschlussventil 20 in der Abgasleitung 12 angeordnet werden, das bei warmem Motor so geschaltet werden kann, dass der zweite Katalysator 13 über eine Leitung 21 umgangen wird (4).
  • Die Steuerung der Auslassventile eines jeden Zylinders kann auf unterschiedliche Arten erfolgen, um die gewünschte Funktion und das gewünschte Verhältnis zwischen den unterschiedlichen Abgasströmen zu erreichen. Ein Nachteil beim Geschlossenhalten der Auslassventile für eine gewisse Zeitdauer ist, dass die Motorleistung während dieser Zeit begrenzt ist. Dieser Nachteil ist jedoch in der Regel gering, im Vergleich zu dem Gewinn hinsichtlich der verbesserten Emmissionssteuerung.
  • Eine Steuerung der Auslassventile 2 und 3, die für das Ausführungsbeispiel gemäß 1 geeignet ist, ist für einen kalten Motor in 2 dargestellt und in 3 für einen warmen Motor. In jeder Figur stellt das linke Diagramm a) das erste Auslassventil 2 dar, während das rechte Diagramm b) das zweite Auslassventil 3 darstellt. In jedem Diagramm bezeichnet A den oberen Totpunkt des Kolbens, B den unteren Totpunkt des Kolbens, C die Öffnungsstellung des Auslassventils, D die Schließstellung des Auslassventils und E die Öffnungszeit des Auslassventils.
  • Wie aus 2 ersichtlich ist, wird das erste Auslassventil 2 (2a) bei kaltem Motor geschlossen gehalten, während das zweite Auslassventil 3 (2b) bei C öffnet, ungefähr 30° vor dem unteren Totpunkt B und bis D geöffnet gehalten wird, ungefähr 15° nach dem oberen Totpunkt A. Der gesamte Abgasausstoß erfolgt somit über das zweite Auslassventil 3 während einer langen Öffnungszeit E, ungefähr 225°.
  • Wenn der Motor warm ist, wie in 3 dargestellt, wird das erste Auslassventil 2 (3a) in Betrieb genommen und öffnet bei C, ungefähr 45° vor dem unteren Totpunkt B und wird bis D geöffnet gehalten, ungefähr 30° vor dem oberen Totpunkt A. Der Öffnungswinkel E beträgt in diesem Fall damit ungefähr 195°, hängt jedoch von der Anzahl der an den Abgaskrümmer angeschlossenen Zylinder ab. Die angegebenen Winkelbeträge sind nur ein Beispiel für einen Vierzylinder-Motor. Das zweite Auslassventil (3b) öffnet nun etwas später als vorher, und zwar bei C, ungefähr 30° nach dem unteren Totpunkt B und wird bis zum gleichen Punkt wie vorher geöffnet gehalten, nämlich bis D, ungefähr 15° nach dem oberen Totpunkt A. Diese Aufteilung der Öffnungszeiten zwischen den Ventilen 2 und 3 ermöglicht ein wirksames Spülen des Motors.
  • Ein besonderer Vorteil des Ausführungsbeispiels gemäß 1 ist es, dass der erhebliche Temperaturabfall durch die kalte Turbine 14 beim Starten vermieden wird, und ein schnell aktivierter zweiter Katalysator 13 anfangs genutzt werden kann, während der normale, erste Katalysator 10 erwärmt wird. Die Aufteilung des Ausstoßtaktes weist auch weitere Vorteile auf, wie beispielsweise eine verbesserte Entleerung des Zylinders, da Abga se mit geringem Druck nicht durch die Turbine geleitet werden müssen, sondern an dieser vorbei geführt werden können.
  • Um bei kaltem Motor einen hinreichend großen Abgasstrom verarbeiten zu können, ist es zweckmäßig, wenn das zweite Auslassventil weiter öffnen kann, d. h., einen größeren Hub aufweist, wenn der Motor kalt ist als wenn der Motor warm ist.
  • Da der Hautpanteil der Abgase bei hoher Leistung durch den Hauptkatalysator geleitet wird, kann der zweite Katalysator 13 so ausgelegt werden, dass er etwa 20 bis 25% des maximalen Abgasstromes bei voller Motorlast durchlässt, aber dennoch so nah wie möglich am Motor angeordnet wird, um sich schnell zu erwärmen.
  • Anstatt die Auslassventile 2 nach dem Start für eine bestimmte Zeit geschlossen zu lassen, wäre es auch möglich, ihren Auslass zu verschließen, d. h., die erste Abgasleitung 11, mittels eines Ventils, das geöffnet und geschlossen werden kann, um die gewünschte Aufteilung des Abgasstroms zu erreichen. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Anordnung ist in 1 dargestellt, bei der ein Ventil 30 in der ersten Abgasleitung 11 angeordnet ist. Bei dieser Anordnung kann das Ventil 30 zweckmäßig stromaufwärts von der Abgasturbine 14 angeordnet werden, jedoch ist eine Anordnung (30') stromabwärts von der Abgasturbine 14 ebenfalls möglich. Das dargestellte Ventil 30 kann vorteilhafterweise elektrisch gesteuert werden und wird sich während eines Großteils des Betriebs des Motors selbstverständlich in der geöffneten Stellung befinden.

Claims (7)

  1. Abgassystem für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, mit einem ersten Katalysator (10), der mittels eines ersten und eines zweiten Abgaskrümmers (4, 5) mit der Brennkraftmaschine verbunden ist, und einem zweiten, kleineren Katalysator (13), der mit dem zweiten Abgaskrümmer (5) verbunden ist und stromaufwärts von dem ersten Katalysator (10) mündet, und wobei der Auslass der Brennkraftmaschine zu dem ersten Abgaskrümmer (4) während einer Startphase der Brennkraftmaschine geschlossen ist, so dass während dieser Startphase Abgase den ersten Katalysator (10) nur über den zweiten Abgaskrümmer (5) erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes Auslassventil (2) eines jeden Zylinders während der Startphase geschlossen ist und mit dem ersten Abgaskrümmer (4) verbunden ist, welcher seinerseits mit dem ersten Katalysator (10) über eine Abgasturbine (14) eines Turbokompressors zur Aufladung der Brennkraftmaschine verbunden ist, dass mindestens ein zweites Auslassventil (3) eines jeden Zylinders mit dem zweiten Abgaskrümmer (5) verbunden ist, und dass der zweite Katalysator (13) zwischen dem Turbinenauslass und dem ersten Katalysator (10) mündet.
  2. Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der ersten Auslassventile (2) nur öffnet wenn die Brennkraftmaschine heiß ist und bevor der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht, und geschlossen wird, bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, so dass unter hohem Druck stehendes Gas zu der Abgasturbine (14) geleitet wird.
  3. Abgassystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Auslassventil bei heißer Brennkraftmaschine nach dem ersten Auslassventil (2) öffnet und schließt.
  4. Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Auslassventil (3) während der Startphase, wenn die Brennkraftmaschine noch kalt ist, öffnet bevor der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht hat.
  5. Abgassystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des zweiten Katalysators (13) ein Abzweigventil (20) und eine diesem zugeordnete, stromaufwärts des ersten Katalysators (10) mündende Abzweigleitung (21) angeordnet sind, und dass das Abzweigventil die Abgase bei heißer Brennkraftmaschine an dem zweiten Katalysator (13) vorbei leitet.
  6. Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator (13) benachbart zum zweiten Abgaskrümmer (5) nah zur Brennkraftmaschine angeordnet ist.
  7. Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Auslassventil (3) während der Startphase, wenn die Brennkraftmaschine kalt ist, weiter öffnet als bei heißer Brennkraftmaschine.
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