DE102007053932A1

DE102007053932A1 - Abgasanlage und Verfahren zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE102007053932A1
Application number: DE102007053932A
Authority: DE
Inventors: Alfred Grom; Markus Eisenkoelbl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2009-05-14
Also published as: WO2009062590A1

Abstract

Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen ersten Abgasstrang mit einem ersten brennkraftmaschinennahen Katalysator, einen zum ersten Abgasstrang parallelen zweiten Abgasstrang und einen zweiten brennkraftmaschinenfernen Katalysator, wobei der erste Katalysator einen geringeren und der zweite Katalysator einen größeren Strömungsquerschnitt aufweist sowie Verfahren zum Betreiben einer derartigen Abgasanlage.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs umfassend einen ersten Abgasstrang mit einem ersten brennkraftmaschinennahen Katalysator, einen zum ersten Abgasstrang parallelen zweiten Abgasstrang und einen zweiten brennkraftmaschinenfernen Katalysator. „Brennkraftmaschinennah" und „brennkraftmaschinenfern" bezieht sich dabei insbesondere auf die Anordnung der beiden Katalysatoren relativ zueinander.
Vorkatalysatoren sollen zur Minimierung der Abgas-Schadstoffemissionen insbesondere in der Kaltstartphase sehr schnell ihre Betriebstemperatur erreichen, bei der die angestrebte Reduzierung des Schadstoffgehalts im Abgas erfolgt. Sie sind daher üblicherweise brennkraftmaschinennah am Abgaskrümmer angeordnet. Für eine rasche Erwärmung ist es außerdem günstig, wenn der Vorkatalysator einen geringen Strömungsquerschnitt aufweist. Insbesondere bei höheren Brennkraftmaschinendrehzahlen stellt ein solcher Katalysator mit geringem Strömungsquerschnitt allerdings einen Strömungswiderstand dar, der einen erhöhten Staudruck bedingt und zu Leistungseinbußen sowie einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt.
Hinsichtlich Leistung und Kraftstoffverbrauch wäre ein großer Strömungsquerschnitt im Katalysator günstig. Eine Vergrößerung des Katalysators zur Reduzierung der Drosselwirkung ist jedoch in der Regel nicht möglich, da dann der Katalysator seine Betriebstemperatur zu spät erreichen würde.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine eingangs genannte Abgasanlage bereitzustellen, mit der einerseits insbesondere bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein rasches Erreichen der Katalysator-Betriebstemperatur ermöglicht und zugleich insbesondere bei einem Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine Leistungseinbußen und ein erhöhter Kraftstoffverbrauch durch die Drosselwirkung des Katalysators gemindert werden. Außerdem soll ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgasanlage bereitgestellt werden,
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1, der erste Katalysator einen geringeren und der zweite Katalysator einen größeren Strömungsquerschnitt aufweist. „Geringerer Strömungsquerschnitt" und „größerer Strömungsquerschnitt" bezieht sich dabei insbesondere auf das Verhältnis der Strömungsquerschnitte der beiden Katalysatoren relativ zueinander. Aufgrund seines geringen Strömungsquerschnitts erreicht der erste Katalysator sehr schnell seine Betriebstemperatur und steht sehr schnell für eine wirksame Abgasreinigung zur Verfügung, der zweite Katalysator hat aufgrund seines größeren Strömungsquerschnitts eine nur geringe Drosselwirkung und ermöglicht einen Leistungs- und Verbrauchsoptimalen Betrieb der Brennkraftmaschine.
Außerdem wird die Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst, indem der Abgasstrom im Wesentlichen durch den ersten Katalysator geleitet wird, wenn die Temperatur der Abgasanlage unterhalb einer vorbestimmten Temperatur liegt. Dadurch wird ein besonders rasches Aufheizen erreicht, wenn die Abgasanlage noch kalt ist.
Besonders bevorzugte Ausführungen der erfindungsgemäßen Abgasanlage sowie eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorzugsweise ist der zweite Katalysator dem zweiten Abgasstrang zugeordnet, sodass zwei zueinander parallele Abgasstränge jeweils einen Katalysator aufweisen.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der erste und der zweite Abgasstrang stromabwärts in einen gemeinsamen Abgasstrang münden und der zweite Katalysator dem gemeinsamen Abgasstrang zugeordnet ist. Außerdem wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der erste und der zweite Abgasstrang stromaufwärts aus einem gemeinsamen Abgasstrang abzweigen. Dann ist zweckmäßigerweise im Bereich der Abzweigung und/oder der Mündung eine Steuerklappe (116) zur Steuerung des Abgasstroms zwischen erstem und zweitem Abgasstrang (104, 106) vorgesehen. Es hat sich als günstig erwiesen, die Steuerklappe(n) gesteuert oder geregelt zu betätigen.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Abgasstrom im Wesentlichen durch den zweiten Katalysator geleitet wird, wenn die Temperatur der Abgasanlage oberhalb einer vorbestimmten Temperatur liegt. Dadurch wird bei warmer Abgasanlage der Drosselverlust durch den Katalysator signifikant verringert.
Nachfolgend sind besonders zu bevorzugende Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert, dabei zeigen schematisch und beispielhaft
1 eine Abgasanlage umfassend einen Katalysator mit geringerem Strömungsquerschnitt und einen Katalysator mit größerem Strömungsquerschnitt, wobei entweder beide Katalysatoren oder nur der Katalysator mit dem größere Strömungsquerschnitt durchströmbar ist/sind und
2 eine Abgasanlage umfassend einen Katalysator mit geringerem Strömungsquerschnitt und einen Katalysator mit größerem Strömungsquerschnitt, wobei entweder der Katalysator mit dem geringeren Strömungsquerschnitt oder der Katalysator mit dem größere Strömungsquerschnitt durchströmbar ist.
1 zeigt eine Abgasanlage 100 umfassend einen Katalysator 108 mit geringerem Strömungsquerschnitt und einen Katalysator 110 mit größerem Strömungsquerschnitt, wobei entweder beide Katalysatoren 108, 110 oder nur der Katalysator 110 mit dem größere Strömungsquerschnitt durchströmbar ist/sind.
Ein Vorkatalysator der hier nicht näher dargestellten Abgasanlage 100 einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine ist zweiteilig ausgeführt. Ein Abgaskanal 102 teilt sich an einer Abzweigung in zwei zueinander parallele Abgasstränge 104, 106 auf, die stromabwärts wieder in einen gemeinsamen Abgaskanal 114 münden. Der erste Abgasstrang 104 umfasst einen ersten brennkraftmaschinennahen Katalysator 108 mit geringerem Strömungsquerschnitt, der zweite Abgasstrang 106 umfasst einen zweiten brennkraftmaschinenfernen Katalysator 110 mit größerem Strömungsquerschnitt.
Der Katalysator 108 mit geringerem Strömungsquerschnitt erwärmt sich beim Betrieb der Brennkraftmaschine schnell, da er eine geringe Wärmekapazität aufweist. Außerdem wird eine rasche Erwärmung des Katalysators 108 dadurch unterstützt, dass er brennkraftmaschinennah im Bereich des Abgaskrümmers angeordnet ist und lässt nur eine begrenzte Strömung hindurch lässt. Der Katalysator 110 mit größerem Strömungsquerschnitt stellt einen nur geringen Strömungswiderstand im Abgasstrang 106 dar und bedingt so einen nur geringen Staudruck, was in Hinblick auf Verbrauch und Leistung der Brennkraftmaschine vorteilhaft ist.
An der Abzweigung stromauf der beiden Abgasstränge 104, 106 ist eine Steuerklappe 116 zur Steuerung des Abgasstroms zwischen erstem und zweitem Abgasstrang 104, 106 vorgesehen. Mittels der Steuerklappe 116 kann der Abgasstrom beim Betrieb der Brennkraftmaschine entweder dem ersten oder dem zweiten Abgasstrang 104, 106 oder beiden Abgassträngen 104, 106 zugeleitet werden. Die Steuerklappe 116 kann kontinuierlich oder diskret betätigt sein. Die Steuerklappe 116 ist passiv druckbetätigt oder wird aktiv mittels eines Aktuators betätigt. Dabei kann ein elektromotorischer, pneumatischer oder hydraulischer Aktuator verwendet werden. Bei einer Aktuatorbetätigung ist zur Steuerung des Aktuators eine Steuereinrichtung vorgesehen, die den Aktuator auf Basis von externen Parametern, wie Abgasdruck, Brennkraftmaschinendrehzahl, Abgastemperatur und/oder Katalysatortemperatur, und/oder in der Steuereinrichtung hinterlegter Parameter steuert. Alternativ oder zusätzlich zur abzweigungsseitigen Steuerklappe 116 kann eine Steuerklappe (nicht gezeigt) im Mündungsbereich der beiden Abgasstränge 104, 106 in den Abgaskanal 114 vorgesehen sein.
Der Abgasstrom wird bei kalter Abgasanlage, insbesondere in der Startphase, durch den ersten Abgasstrang 104 und damit durch den Katalysator 108 geleitet. Dieser erwärmt sich rasch auf Betriebstemperatur, sodass bereits in der Startphase eine gute Schadstoffreduktion erreicht wird. Der Abgasstrom wird insbesondere bei niedrigen Brennkraftmaschinendrehzahlen, bei denen ein nur begrenzter Abgasstrom vorherrscht, durch den Katalysator 108 geleitet. Der Abgasstrom wird auch dann durch den Katalysator 108 geleitet, wenn die Temperatur der Abgasanlage unterhalb einer vorbestimmten Temperatur liegt.
Bei höheren Brennkraftmaschinendrehzahlen und höheren Abgasvolumen wird der Abgasstrom durch den zweiten Abgasstrang 106 und damit durch den Katalysator 110 mit größerem Strömungsquerschnitt geleitet. Der Abgasstrom wird auch dann durch den Katalysator 110 geleitet, wenn die Temperatur der Abgasanlage oberhalb einer vorbestimmten Temperatur liegt.
Die Umleitung des Abgasstroms kann wie beschrieben kontinuierlich oder diskret, geregelt oder parameterabhängig gesteuert erfolgen. Der Abgasstrom kann auch dann durch zweiten Abgasstrang 106 geleitet werden, wenn die Temperatur dessen Katalysators 110 für einen optimalen Betrieb besser geeignet ist, als die Temperatur des ersten Katalysators 108. Ebenfalls kann eine Umleitung des Abgasstroms hin zum zweiten Abgasstrang 106 erfolgen, wenn dessen Katalysator 110 eine vorgegeben Mindesttemperatur, insbesondere seine Betriebstemperatur, erreicht hat.
Wenn der Abgasstrom im Wesentlichen durch den zweiten Abgasstrang 106 geleitet wird, ist eine weitere Temperaturerhöhung des ersten Katalysators 108 vermieden und der zweite Katalysator 110 ist wirksam. Da der Katalysator 110 einen größeren Strömungsquerschnitt als der Katalysator 108 aufweist, stellt ein einen nur geringen Strömungswiderstand dar und ermöglicht so einen leistungs- und verbrauchsoptimierten Betrieb der Brennkraftmaschine.
Durch den Einsatz des Katalysators 108 kann der Katalysator 110 darüber hinaus mit einem größeren Strömungsquerschnitt ausgeführt werden, als bei Abgasanlagen mit nur einem derartigen Katalysator, bei denen aufgrund der Erwärmungszeit immer ein Kompromiss eingegangen werden muss. Vorliegend kann während der Erwärmungsphase der Katalysator 108 die Abgasreinigung übernehmen und dies sogar sehr rasch. Außerdem ist der Katalysator 110 weiter von der Brennkraftmaschine entfernt ist, als der Katalysator 108, er ist daher weniger stark temperaturbelastet und kann auch bei hoher Brennkraftmaschinenleistung, insbesondere bei Volllast, in seinem Betriebsbereich betrieben werden, ohne dass eine temperaturbedingte Schädigung droht.
2 zeigt eine Abgasanlage 200 umfassend einen Katalysator 208 mit geringerem Strömungsquerschnitt und einen Katalysator 210 mit größerem Strömungsquerschnitt, wobei entweder der Katalysator 210 mit dem geringeren Strömungsquerschnitt oder der Katalysator 210 mit dem größeren Strömungsquerschnitt durchströmbar ist.
Ein Vorkatalysator der hier nicht näher dargestellten Abgasanlage 200 einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine ist zweiteilig ausgeführt. Ein Abgaskanal 202 teilt sich an einer Abzweigung in zwei zueinander parallele Abgasstränge 204, 206 auf, die stromabwärts wieder in einen gemeinsamen Abgaskanal 214 münden. Der erste Abgasstrang 204 umfasst einen ersten brennkraftmaschinennahen Katalysator 208 mit geringerem Strömungsquerschnitt, der zweite Abgasstrang 206 bildet einen Bypass zum ersten Abgasstrang 204. Der gemeinsame Abgaskanal 214 umfasst einen zweiten brennkraftmaschinenfernen Katalysator 210 mit größerem Strömungsquerschnitt. Mittels einer Steuerklappe 216 kann der Abgasstrom zwischen erstem und zweitem Abgasstrang 204, 206 umgelenkt werden.
Zur Funktionsweise und Vorteilen wird auf die Beschreibung zur 1 Bezug genommen. Wesentlich bei der Ausführungsvariante gemäß 2 ist jedoch, dass der Katalysator 210 mit dem größeren Strömungsquerschnitt beim Betrieb des Katalysators 210 mit dem geringeren Strömungsquerschnitt bereits erwärmt wird.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage kann nicht nur bei einem krümmernahen Vorkatalysator eingesetzt werden, sondern auch bei anderen Katalysatortypen, beispielsweise bei eine Dreiwege-Katalysator oder einem DeNOx-Katalysator.
Mit der Erfindung wird einerseits ein schnelles Anspringen des Katalysators erreicht und andererseits werden Leistungs- und Verbrauchsnachteile durch den katalysatorbedingten Strömungswiderstand auf ein Minimum reduziert.

Claims

Abgasanlage (100, 200) für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs umfassend einen ersten Abgasstrang (104, 204) mit einem ersten brennkraftmaschinennahen Katalysator (108, 208), einen zum ersten Abgasstrang (104, 204) parallelen zweiten Abgasstrang (106, 206) und einen zweiten brennkraftmaschinenfernen Katalysator (110, 210), dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator (108, 208) einen geringeren und der zweite Katalysator (110, 210) einen größeren Strömungsquerschnitt aufweist.
Abgasanlage (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator (110) dem zweiten Abgasstrang (106) zugeordnet ist.
Abgasanlage (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Abgasstrang (204, 206) stromabwärts in einen gemeinsamen Abgasstrang (214) münden und der zweite Katalysator (210) dem gemeinsamen Abgasstrang (214) zugeordnet ist.
Abgasanlage (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Abgasstrang (104, 106, 204, 206) stromaufwärts aus einem gemeinsamen Abgasstrang (102, 202) abzweigen und im Bereich der Abzweigung und/oder der Mündung eine Steuerklappe (116, 216) zur Steuerung des Abgasstroms zwischen erstem und zweitem Abgasstrang (104, 106, 204, 206) vorgesehen ist.
Abgasanlage (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerklappe(n) (116, 216) gesteuert oder geregelt betätigt wird/werden.
Verfahren zum Betrieben einer Abgasanlage (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom im Wesentlichen durch den ersten Katalysator (108, 208) geleitet wird, wenn die Temperatur der Abgasanlage unterhalb einer vorbestimmten Temperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom im Wesentlichen durch den zweiten Katalysator (110, 210) geleitet wird, wenn die Temperatur der Abgasanlage oberhalb einer vorbestimmten Temperatur liegt.