EP0355729A1 - Abgasanlage einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasanlage einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0355729A1
EP0355729A1 EP89115242A EP89115242A EP0355729A1 EP 0355729 A1 EP0355729 A1 EP 0355729A1 EP 89115242 A EP89115242 A EP 89115242A EP 89115242 A EP89115242 A EP 89115242A EP 0355729 A1 EP0355729 A1 EP 0355729A1
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
mixing tube
exhaust
tubes
cleaning device
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Ceased
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EP89115242A
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Inventor
Michael Rieser
Norbert Kraus
Kurt Dusl
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N13/008—Mounting or arrangement of exhaust sensors in or on exhaust apparatus
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    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1439—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the position of the sensor

Definitions

  • the invention relates to an exhaust system according to the preamble of claim 1, wherein of course a single cylinder also falls under the term cylinder group.
  • the general idea of the invention can also be applied to a larger number of cylinder group exhaust gas flows.
  • the technological environment for the present invention is described in DE-OS 27 25 943 and DE-OS 27 25 944.
  • the exhaust gases of the individual cylinders of an internal combustion engine are usually brought together before entering an exhaust gas cleaning device.
  • the exhaust gas purification devices designed as three-way catalytic converters in order to achieve the most complete exhaust gas aftertreatment or successful conversion of harmful components, place high demands on the exhaust gas flow supplied to them. For this reason, a mixture corresponding to the stoichiometric air / fuel ratio is fed to the internal combustion engine. To regulate this mixture, an oxygen sensor protruding into the exhaust gas flow is provided.
  • the composition of the exhaust gases of the individual cylinders can differ, for example due to tolerances in the mixture formation system.
  • the individual cylinder exhaust gas streams are mixed as intensively as possible in order to ensure homogeneous exhaust gas distribution over the cross section of the catalytic converter.
  • long mixing distances are required, which conflict with the known requirement of arranging the catalyst as close as possible to the internal combustion engine for temperature reasons.
  • such a long mixing section requires the individual cylinder exhaust gas flows to be brought together shortly behind the internal combustion engine, which, however, has a disruptive effect on the gas dynamics in the exhaust system and thus reduces the output provided by the internal combustion engine.
  • DE-OS 27 25 943 proposes to carry out the individual exhaust gas flows separately beyond the catalyst.
  • the problem of the exhaust gas composition which differs for the individual cylinders or groups of cylinders appears to be increasingly evident; a successful pollutant conversion is not possible with that solution.
  • the proposal made in DE-OS 27 25 944 to use the oxygen sensor immediately after the last exhaust manifold so that it is acted upon by a representative gas mixture of all cylinders does not remedy this.
  • the object of the present invention is to show an exhaust system of a multi-cylinder internal combustion engine, with the aid of which the exhaust gas in particular Catalytic exhaust gas purification device is supplied homogeneously distributed over the cross section. This object is achieved by the characterizing features of the first claim.
  • a short mixing tube is sufficient for this purpose, in which the two exhaust gas streams, for example in a vehicle exhaust system, are juxtaposed when viewed from above, in order to then leave this relatively short mixing tube again via two tubes which are essentially one above the other.
  • the exhaust gas flows entering the mixing tube side by side are thus virtually halved and leave the mixing tube with the other half exhaust gas flow.
  • the features of the third claim reduce the installation space of an exhaust system according to the invention
  • the features of claim 4 in particular offer simplifications in terms of production technology.
  • Such insulation coverings are known per se and are intended to prevent excessive heat radiation.
  • FIG. 2 shows the partial section A-A from FIG. 1.
  • the exhaust gases of a six-cylinder internal combustion engine 1 are fed to an exhaust gas purification device (catalytic converter) 3 via an exhaust gas system, designated as a whole by 2.
  • an exhaust gas purification device catalytic converter
  • three cylinders of the internal combustion engine are combined to form cylinder groups 5a, 5b, the exhaust gas flows of which are fed to a mixing tube 9 via downpipes 7a, 7b and, in accordance with the projection shown, enter this mixing tube 9 side by side.
  • the combined exhaust gas flow leaves the mixing tube 9 via two tubes 11a, 11b, which are arranged one above the other in this projection. Next to each other again these tubes then open into the housing of the catalytic converter 3, a lambda probe 13 being provided upstream of the mouth in the tube 11b.
  • This design of the exhaust system 2 ensures that the catalytic converter 3 is exposed to exhaust gas of the same composition over its cross section.
  • the exhaust gases of the individual cylinders or cylinder groups 5a, 5b can have different compositions.
  • the distributor principle can be implemented in a simplified manner both in terms of construction and production technology by providing the short mixing tube 9.
  • the exhaust system according to the invention is provided in a motor vehicle, it is advisable to limit the installation space required by the tubes lying side by side and / or one above the other being of oval or semicircular cross section. Manufacturing simplifications also result if, in particular, the two pipes leading from the mixing pipe to the exhaust gas cleaning device have a common insulation jacket.

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Abstract

Bei einer zweiflutigen Abgasanlage mit einem Katalysator (3) werden die beiden Abgasströme (7a, 7b) zunächst in einem Misch­rohr (9) nebeneinanderliegend zusammengeführt, um an­schließend daran dieses Mischrohr (9) in übereinanderlie­genden Rohren (11a, 11b) wieder zu verlassen. Diese übereinander­liegenden Rohre (11a, 11b) münden nebeneinanderliegend in ein gemeinsames Katalysatorgehäuse (3). Diese Anordnung gewähr­leistet eine homogene Abgasverteilung über dem Kataly­sator-Querschnitt. Eine lange Mischstrecke ist hiermit nicht erforderlich; darüber hinaus ist es ausreichend, eine Lambda-Sonde (13) lediglich in einem (11b) der beiden vom Mischrohr (9) zum Katalysator (3) führenden Rohr (e) vorzusehen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei selbstverständlich auch ein einziger Zylinder unter den Begriff der Zylin­dergruppe fällt. Auch läßt sich der allgemeine Erfin­dungsgedanke auch auf eine größere Zahl von Zylinder­gruppen-Abgasströmen übertragen.
  • Das technologische Umfeld zur vorliegenden Erfindung ist in der DE-OS 27 25 943 sowie der DE-OS 27 25 944 be­schrieben.
    Die Abgase der einzelnen Zylinder einer Brennkraftma­schine werden üblicherweise vor dem Eintreten in eine Abgasreinigungsvorrichtung zusammengeführt. Dabei stellen insbesondere die als Dreiweg-Katalysatoren ausgebildeten Abgasreinigungsvorrichtungen zur Erzielung einer möglichst vollständigen Abgasnachbehandlung bzw. erfolgreichen Konvertierung schädlicher Bestandteile hohe Anforderungen an den ihnen zugeführten Abgasstrom. Aus diesem Grunde wird der Brennkraftmaschine ein dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis entspre­chendes Gemisch zugeführt. Zur Regelung dieses Gemisches ist ein in den Abgasstrom hineinragender Sauerstoffühler vorgesehen.
  • An mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen können sich - beispielsweise aufgrund von Toleranzen im Gemischbil­dungssystem - die Abgase der einzelnen Zylinder hin­sichtlich ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Um dennoch eine möglichst erfolgreiche Schadstoff-Konver­tierung im Katalysator zu erzielen, wird bei der Zu­sammenführung der einzelnen Zylinder-Abgasströme eine möglichst intensive Vermischung angestrebt, um eine homogene Abgasverteilung über dem Katalysator-Quer­schnitt zu gewährleisten. Dazu sind jedoch lange Misch­strecken erforderlich, welche dem bekannten Erfordernis, den Katalysator aus Temperaturgründen möglichst nahe an der Brennkraftmaschine anzuordnen, entgegenstehen. Ferner bedingt eine derartige lange Mischstrecke ein Zusammenführen der einzelnen Zylinder-Abgasströme bereits kurz hinter der Brennkraftmaschine, was sich jedoch störend auf die Gasdynamik in der Abgasanlage auswirkt und somit die von der Brennkraftmaschine erbrachte Leistung herabsetzt. Um jenen Nachteil zu vermeiden, schlägt die DE-OS 27 25 943 vor, die einzel­nen Abgasströme auch über den Katalysator hinaus ge­trennt zu führen. Damit jedoch tritt das oben geschil­derte Problem der für die einzelnen Zylinder oder Zylindergruppen verschiedenartigen Abgaszusammensetzung deutlich verstärkt zum Vorschein; eine erfolgreiche Schadstoff-Konvertierung ist mit jener Lösung nicht möglich. In Ermangelung einer langen Mischstrecke schafft auch der in der DE-OS 27 25 944 gemachte Vor­schlag, den Sauerstoffühler unmittelbar nach dem letzten Auspuffkrümmer so einzusetzen, daß dieser von einem repräsentativen Gasgemisch aller Zylinder beaufschlagt wird, hier keine Abhilfe.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgas­anlage einer mehryzlindrigen Brennkraftmaschine aufzu­zeigen, mit Hilfe derer das Abgas einer insbesondere katalytischen Abgasreinigungsvorrichtung über deren Querschnitt homogen verteilt zugeführt wird. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.
  • Anstelle einer langen Mischstrecke genügt hierzu ein kurzes Mischrohr, in welchem die beiden Abgasströme beispielsweise bei einer Fahrzeug-Abgasanlage bei Betrachtung von oben nebeneinanderliegend zusammenge­führt werden, um danach dieses relativ kurze Mischrohr über zwei im wesentlichen übereinander liegende Rohre wieder zu verlassen. Die nebeneinander in das Mischrohr eintretenden Abgasströme werden somit jeweils quasi halbiert und verlassen das Mischrohr mit dem jeweils anderen hälftigen Abgasstrom. Zwar wurde aus der DE-OS 37 40 238 eine Abgasanlage für Brennkraftmaschinen mit zwei Zylinderbänken bekannt, welche ebenfalls nach diesem sog. Verteilerprinzip arbeitet, jedoch weist diese bekannte Abgasanlage kein gemeinsames Mischrohr auf.
  • Versuche haben ergeben, daß mit einer alleinig nach dem Verteilerprinzip arbeitenden Abgasanlage nur in wenigen Fällen bzw. Betriebspunkten der Brennkraftmaschine befriedigende Ergebnisse erzielt werden können. Insbe­sondere bei gebogenen Rohrverläufen sind die Abgasmas­senströme beispielsweise durch Zentrifugalkrafteinfluß derart asymmetrisch über den Rohrquerschnitten verteilt, daß unter Zuhilfenahme des reinen Verteilerprinzipes keine homogene Verteilung über dem Katalysator-Quer­schnitt sichergestellt ist. Erfindungsgemäß werden deshalb die beiden Abgasströme zunächst in einem Misch­rohr zusammengeführt, welches jedoch äußerst kurz gehalten werden kann. Dieses insbesondere geradlinig verlaufende Mischrohr führt zu einer Vergleichmäßigung des Abgasmassenstromes über dem Rohrquerschnitt und ermöglicht somit erst eine wirkungsvolle Anwendung des Verteilerprinzipes.
  • Da mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patent­anspruches sichergestellt ist, daß sich in den beiden vom Mischrohr zur Abgasreinigungsvorrichtung führenden Rohren Abgas gleicher Zusammensetzung befindet, ist es gemäß Anspruch 2 ausreichend, eine Lambda-Sonde zur Ermittlung des Sauerstoff-Restgehaltes lediglich in einem der beiden Rohre vorzusehen. Aufwendige sog. Übersprechstellen sind somit nicht mehr erforderlich.
  • Während die Merkmale des dritten Anspruchs den Bauraum einer erfindungsgemäßen Abgasanlage reduzieren, bieten die Merkmale des Anspruchs 4 insbesondere fertigungs­technische Vereinfachungen. Derartige Isolationsumhül­lungen sind an sich bekannt und sollen eine zu intensive Wärmeabstrahlung verhindern.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Prinzip­skizze (Fig. 1) näher erläutert. Fig. 2 zeigt den Teilschnitt A-A aus Fig. 1.
  • Die Abgase einer sechszylindrigen Brennkraftmaschine 1 werden über eine in ihrer Gesamtheit mit 2 bezeichnete Abgasanlage einer Abgasreinigungsvorrichtung (Kataly­sator) 3 zugeführt. Jeweils drei Zylinder der Brenn­kraftmaschine sind zu Zylindergruppen 5a, 5b zusammen­gefaßt, deren Abgasströme über Hosenrohre 7a, 7b einem Mischrohr 9 zugeführt werden und dabei gemäß der ge­zeigten Projektion nebeneinanderliegend in dieses Mischrohr 9 eintreten.
  • Der zusammengeführte Abgasstrom verläßt das Mischrohr 9 über zwei Rohre 11a, 11b, welche in dieser Projektion übereinanderliegend angeordnet sind. Wieder nebeneinan­ derliegend münden diese Rohre im Gehäuse des Katalysa­tors 3, wobei stromauf der Mündung im Rohr 11b eine Lambda-Sonde 13 vorgesehen ist.
  • Mit dieser Gestaltung der Abgasanlage 2 ist sicherge­stellt, daß der Katalysator 3 über seinem Querschnitt mit Abgas gleicher Zusammensetzung beaufschlagt wird. Beispielsweise aufgrund von Toleranzen im Gemischbil­dungssystem können nämlich die Abgase der einzelnen Zylinder bzw. Zylindergruppen 5a, 5b von unterschied­licher Zusammensetzung sein. Für eine optimale Konver­tierung der Schadstoffe ist es jedoch erforderlich, dem Katalysator das Abgas über dem Querschnitt homogen verteilt zuzuführen. Erforderlich ist somit eine inten­sive Vermischung der beiden in den Hosenrohren 7a, 7b geführten Abgasströme.
  • Realisiert wird diese optimale Vermischung durch An­wendung einer an sich bekannten Mischstrecke in Form des Mischrohres 9 - dieses kann jedoch gegenüber dem Stand der Technik deutlich kürzer ausgeführt sein - in Verbindung mit dem Verteilerprinzip, wonach die neben­einander in das Mischrohr 9 eintretenden Abgasströme dieses über die übereinanderliegenden Rohre 11 wieder verlassen.
  • Die damit erzielbaren Ergebnisse liegen deutlich über denen einer herkömmlichen Mischstrecke und erlauben die Anwendung des Verteilerprinzipes nicht nur in wenigen Ausnahmefällen, sondern über dem gesamten Betriebsbe­reich einer Brennkraftmaschine sowie darüber hinaus auch bei gebogen verlaufenden Abgasrohren. Vorteilhafterweise läßt sich das Verteilerprinzip durch Vorsehen des kurzen Mischrohres 9 sowohl konstruktiv als auch fertigungs­technisch vereinfacht realisieren.
  • Ist die erfindungsgemäße Abgasanlage in einem Kraftfahr­zeug vorgesehen, so empfiehlt es sich, den erforder­lichen Bauraum dadurch zu beschränken, daß die neben­einanderliegenden und/oder übereinanderliegenden Rohre von ovalem oder halbkreisförmigem Querschnitt sind. Fertigungstechnische Vereinfachungen ergeben sich zusätzlich, wenn insbesondere die beiden vom Mischrohr zur Abgasreinigungsvorrichtung führenden Rohre eine gemeinsame Isolationsumhüllung aufweisen.

Claims (4)

1. Abgasanlage einer mehrzylindrigen Brennkraftma­schine mit einer insbesondere katalytischen Abgas­reinigungsvorrichtung, wobei die Abgasströme zweier Zylindergruppen vor dem Eintritt in die Abgasreini­gungsvorrichtung zusammengeführt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasströme in einem Mischrohr (9) in einer Projektion nebenein­anderliegend zusammengeführt sind und daß vom Mischrohr ausgehend zwei in dieser Projektion im wesentlichen übereinanderliegende Rohre (11a, 11b) zur Abgasreinigungsvorrichtung (3) führen.
2. Abgasanlage nach Anspruch 1 mit einer Lambda-Sonde,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lamda-Sonde (13) in einem der vom Mischrohr (9) zur Abgasreinigungsvor­richtung (3) führenden Rohre (11) vorgesehen ist.
3. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die nebeneinanderlie­genden und/oder übereinanderliegenden Rohre (7 bzw. 11) von ovalem oder halbkreisförmigem Querschnitt sind.
4. Abgasanlage nach einem der vorangegangenen An­sprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden vom Misch­rohr (9) zur Abgasreinigungsvorrichtung (3) füh­renden Rohre (11) eine gemeinsame Isolationsum­hüllung aufweisen.
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