EP0313922B1

EP0313922B1 - Verfahren zur Beeinflussung der Temperatur von Abgasen und Abgasanlage zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: EP0313922B1
Application number: EP88116975A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Semet
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1987-10-30
Filing date: 1988-10-13
Publication date: 1990-11-28
Anticipated expiration: 2008-10-13
Also published as: DE3736844C2; DE3736844A1; DE3861184D1; EP0313922A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflussung der Temperatur von Abgasen im Eintrittsbereich eines in einer Abgasanlage vorgesehenen Abgas-Katalysators, einer quantitatov gesteuerten Brennkraftmaschine, sowie auf eine Abgasanlage zur Durchführung dieses Verfahrens.
Abgas-Katalysatoren bzw. die darin zu reinigenden Abgase einer Brennkraftmaschine benötigen zur erfolgreichen Konvertierung schädlicher Abgasbestandteile eine gewisse Betriebstemperatur, welche einen unteren Schwellwert nicht unterschreiten sollte und stets unterhalb eines oberen Grenzwertes liegen sollte. Bei überschreiten des oberen Grenzwertes verschlechtert sich der Konvertierungsgrad eines Abgaskatalysators aufgrund thermischer Alterung; bei Auftreten von extrem hohen Temperaturspitzen können sogar Anschmelzungen des im Abgaskatalysator angeordneten Monolithen auftreten. Andererseits ist es erforderlich, den Abgaskatalysator nach einem Start der Brennkraftmaschine binnen kürzestmöglicher Zeit auf die für eine erfolgreiche Konvertierung erforderliche minimale Betriebstemperatur zu bringen.
Ein Verfahren zur Erzeugung einer optimalen Abgaseingangstemperatur für den Abgaskatalysator von Verbrennungsmotoren ist aus der gattungsbildenden DE-OS 3 406 968 bekannt geworden. Dabei wird das Motorabgas in zwei Teilströme geteilt, von denen einer gekühlt und der andere nicht gekühlt wird; die Teilströme werden vor dem Katalysator wieder vereinigt und die Katalysatortemperatur wird durch Veränderung des Mengenverhältnisses der beiden Teilströme geregelt.
Obgleich jenes bekannte Verfahren brauchbare Resultate liefert, so ist es doch in der Ausführung mit großem Aufwand verbunden. Erforderlich sind dabei nämlich zwei separate Abgasleitungen, welche jeweils den gesamten anfallenden Abgasstrom aufzunehmen vermögen, wobei für den zu kühlenden Abgasstrom den Platzbedarf erhöhende aufwendige Kühlmaßnahmen erforderlich sind. Desweiteren wird ein insbesondere hinsichtlich der Abdichtung aufwendiger Umschaltmechanismus benötigt, um den Abgasstrom wunschgemäß auf die beiden verschiedenen Abgasleitungen aufteilen zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs aufzuzeigen, welches zur Durchführung einen gegenüber dem bekannten Verfahren deutlich reduzierten Bauaufwand erfordert. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.
Wird ein der Abgasanlage stromab des Abgas- Katalysators entnommener Abgas-Teilstrom stromauf des Abgas-Katalysatsors in die Abgastanlage eingeleitet, so ist mit diesem Teilstrom eine wirkungsvolle Kühlung des Abgases im Eintrittsbereich des Abgas-Katalysators erzielbar. Die für den Teilstrom erforderliche Rückführleitung kann dabei äußerst einfach ausgebildet sein: So ist - da nur ein Teilstrom geführt wird - lediglich ein geringer Platzbedarf erforderlich. Desweiteren kann auf aufwendige Kühlmaßnahmen verzichtet werden, da die über der Rückführstrecke erzielte Kühlwirkung für die erwünschte Temperaturabsenkung nach Einleitung des Teilstromes in die Abgasanlage ausreichend ist.
Zwar wird auch bei einer aus der JP-A 56 113 007 bekannten Abgasanlage einer Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Rußfilter ein stromab des Rußfilters entnommener Abgas-Teilstrom zur Abgaskühlung herangezogen. Hierzu ist jedoch ein Wärmetauscher vorgesehen. Ferner wird der kühlende Abgasstrom dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeführt.
Da bei vorliegender Erfindung der stromab des Abgaskatalysators Abgas-Teilstrom keinen freien Sauerstoff enthält, kann nach Einleitung des Teilstromes in die Abgasanlage bei eventuell im Abgasstrom vorhandenen unverbrannten Kohlenwasserstoffen keine den Katalysator schädigende Nachverbrennung stattfinden kann. Befindet sich in der Abgasanlage eine Sauerstoffsonde, mit Hilfe derer die Brennkraftmaschine zur optimalen Konvertierung des Abgases im Abgaskatalysator mit stöchiometrischem Gemisch betrieben wird, so wird deren Meßergebnis durch den zu Kühlzwecken zurückgeführten Abgas-Teilstrom ebenfalls nicht beeinflußt, da dieser Teilstrom, wenn er stromab des Abgaskatalysators entnommen wird, keinen freien Sauerstoff enthalten kann. Vorteilhafterweise kann der Teilstrom dem Abgas somit bereits stromauf der Sauerstoffsonde beigemengt werden, so daß auch die Sonde mit geringeren Abgas-Temperaturen beaufschlagt wird.
Von Vorteil ist das erfindungsgemäße Verfahren desweiteren hinsichtlich der Konvertierung schädlicher Abgasbestandteile: Wegen der zweimaligen Durchströmung zumindest eines Abgasteilstromes durch den Abgaskatalysator ist eine tendenzielle Verringerung der nach dem Katalysator noch meßbaren Abgasemissionen feststellbar.
Ist gemäß Anspruch 2 der Abgas-Teilstrom mengenmäßig steuerbar, so kann, beispielsweise in Abhängigkeit von der mittels eines Temperaturfühlers stromauf des Abgas-Katalysators ermittelten Abgastemperatur die für die erforderliche Abgaskühlung benötigte Teilstrommenge ermittelt und bereitgestellt werden.
Vorteilhafte Ausbildungen einer Abgasanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 3 bis 7 beschrieben. Demnach kann für den Abgas-Teilstrom eine einfache Rückführleitung ohne aufwendige Zusatzmaßnahmen vorgesehen sein, wenn in dieser Rückführleitung ein Rückschlagventil vorgesehen ist. Jenes Rückschlagventil hindert die Abgase daran, die Abgasanlage bereits stromauf des Abgas-Katalysators zu verlassen. Durch die von der periodischen Gaswechsel-Steuerung hervorgerufenen, in der Abgasanlage auftretenden Druckschwingungen wird jedoch bei Unterdruck der Weg für den stromab des Abgas-Katalysators entnommenen Teilstrom freigegeben, der Teilstrom wird stromauf des Abgas-Katalysators somit selbsttätig in die Abgasanlage gefördert. Zusätzlich bzw. alternativ zu jenem Rückschlagventil kann ein den Abgas-Teilstrom mengenmäßig steuerndes Drosselorgan beispielsweise in Form eines taktenden Magnetventiles vorgesehen sein.
Ebenso kann das in der Rückführleitung vorgesehene, allgemein als Regelorgan bezeichnete und die Strömungsverhältnisse in der Rückführleitung beeinflussende Element als Fördereinrichtung für den rückgeführten Abgas-Teilstrom ausgebildet sein. Derartige Fördereinrichtungen, beispielsweise Pumpen oder kleine Strömungsverdichter fördern in Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, in denen der stromab des Abgaskatalysators herrschende Abgasdruck nicht ausreichend ist, den gewünschten Abgas-Teilstrom stromauf des Abgaskatalysators in die Abgasanlage zurück. Bei entsprechender Ausgestaltung kann dabei die Fördervorrichtung die Funktion des Rückschlagventiles sowie des Drosselorganes übernehmen. Stets empfiehlt es sich dabei, gemäß Anspruch 7 die Mündung der Rückführleitung in dem an der Brennkraftmaschine angeflanschten Abgaskrümmer vorzusehen, da hiermit nicht nur eine hohe Abkühlrate erzielbar ist, sondern dort auch der höchstmögliche Förder-Unterdruck auftritt. Dies ist vorteilhaft in Anwendungsfällen, in denen die Rückführung aufgrund der in der Abgasanlage auftretenden Druckschwingungen erfolgt.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines nur prinzipiell dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
An eine Brennkraftmaschine 1 ist eine in ihrer Gesamtheit mit 2 bezeichnete Abgasanlage angeflanscht. Diese setzt sich zusammen aus zwei Krümmern 3a, 3b, einem sich daran anschließenden Abgasrohr 4, in welchem ein Sauerstoffühler 5 angeordnet ist, und welches in den Abgasaktalysator 6 mündet. An diesen schließt sich über eine Rohrverbindung ein Nachschalldämpfer 7 an.
Erfindungsgemäß zweigen von der Abgasanlage 2 zwischen dem Katalysator 6 sowie dem Nachschalldämpfer 7 zwei Rückführleitungen 8a, 8b ab, welche in die Krümmer 3a, 3b münden. In der Rückführleitung 8a ist ein Rückschlagventil 9 sowie ein Magnetventil 10 angeordnet. Das Rückschlagventil 9 verhindert dabei, daß Abgas über die Rückführleitung 8 entgegen der Pfeilrichtung 11 direkt von dem Krümmer 3a zum Nachschalldämpfer 7 gelangen kann. Eine andere Ausbildung ist in der Abgasleitung 8b realisiert, welche eine Fördervorrichtung 12 für den rückzuführenden Abgas-Teilstrom enthält.
Ist das Magnetventil 10 offen, so wird aufgrund des in den Krümmern 3 periodisch auftretenden Unterdruckes unter Zuhilfenahme des vor dem Nachschalldämpfer 7 vorhandenen geringen Abgasgegendruckes Überdruck) ein Teilstrom von Abgas, welches den Katalysator 6 bereits passiert hatte, über die Rückführleitung 8a in Pfeilrichtung 11 in den Krümmer 3a eingeleitet. In ähnlicher Weise fördert die Fördervorrichtung 12 steuerbar einen Abgas-Teilstrom gemäß Pfeilrichtung 11 zum Krümmer 3b.
Jene Teilströme kühlen sich dabei insbesondere in den Rückführleitungen 8 soweit ab, daß der von der Brennkraftmaschine 1 abgegebene Abgasstrom durch Beimischung dieser Teilströme mit seiner Temperatur auf ein für den Katalysator 6 verträgliches Niveau abgesenkt wird. Durch entsprechende Ansteuerung des Magnetventiles 10 bzw. der Fördervorrichtung 12 können dabei die über die Rückführleitungen 8 geführten Teilströme mengenmäßig derart gesteuert werden, daß das Temperaturniveau nach Zusammenführung in den Krümmern 3 bzw. im Abgasrohr 4 einen gewünschten Wert erreicht. Ermittelt werden kann dieses Temperaturniveau beispielsweise durch einen nicht gezeigten Temperaturfühler, welcher über eine ebenfalls nicht gezeigte Steuereinheit auf das Magnetventil 10 bzw. die Fördervorrichtung 12 eingreift.
Da der nach dem Katalysator 6 entnommene Abgasteilstrom keinen freien Sauerstoff enthält, wird durch die Beimengung jenes Teilstromes in den Krümmern 3 die Regelung des der Brennkraftmaschine zugeführten stöchiometrischen Gemisches durch den Sauerstoffühler 5 nicht weiter beeinflußt. Das gezeigte Ausführungsbeispiel stellt lediglich eine mögliche Abgasanlage zur Durchführung des. erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beeinflussung der Temperatur von Abgasen dar; Abwandlungen hiervon sind ohne weiteres denkbar.

Claims

1. Verfahren zur Beeinflussung der Temperatur von Abgasen im Eintrittsbereich eines in einer Abgasanlage (2) vorgesehenen Abgas-Katalysators (6) einer quantitativ gesteuerten Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, daß ein der Abgasanlage (2) stromab des Abgas-Katalysators (6) entnommener Abgas-Teilstrom stromauf des Abgas- Katalysators (6) in die Abgasanlage (2) eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgas-Teilstrom mengenmäßig steuerbar ist.

3. Abgasanlage einer quantitativ gesteuerten Brennkraftmaschine mit einem Abgas-Katalysator zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine stromab des Abgas-Katalysators (6) von der Abgasanlage (2) abzweigende sowie stromauf des Abgas-Katalysators (6) in die Abgasanlage (2) mündende Rückführleitung (8) für einen Agbas-Teilstrom vorgesehen ist, in welcher ein Regelorgan angeordnet ist.

4. Abgasanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan als Rückschlagventil (9) ausgebildet ist.

5. Abgasanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan als ein die Durchflußmenge in Abhängigkeit von der Abgastemperatur im Eintrittsbereich des Abgas-Katalysators (6) steuerndes Drosselorgan (Magnetventil 10) ausgebildet ist.

6. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan als Fördervorrichtung (12) für den rückzuführenden Abgas-Teilstrom ausgebildet ist.

7. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (8) in die Abgas-Kuümmer (3a, 3b) mündet.