DE19500472C2 - Verfahren zur Reduzierung der Abgasemissionen eines Verbrennungsmotors für Kraftfahrzeuge mit Abgaskatalysator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren der Abgas­ emissionen eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Abgassystem zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein Verfahren sowie ein Abgassystem dieser Gattung sind aus der DE 41 22 141 A1 und der GB 2 209 797 A bekannt. Bei diesem Stand der Technik wird in der Kaltstartphase der Abgasleitung ein Rückstau erzeugt, um den Verbrennungsmotor bzw. den Katalysator möglichst rasch auf Betriebstemperatur zu bringen. Der Rück­ stau wird so gesteuert, dass der Staudruck in der Kaltstartphase hoch ist und dann abgebaut wird. Bei dem Verfahren nach der DE 41 22 141 A1 erfolgt die Steuerung des Rückstaus in Abhängigkeit von der Temperatur des Abgases mittels eines Bi­ metallelementes. Bei dem Verfahren nach der GB 2 209 797 A erfolgt die Steue­ rung des Rückstaus in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, um die Zeit zu verrin­ gern, bis der Katalysator die Betriebstemperatur erreicht hat.

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer anderen Problemstellung:
Beim Kaltstart eines Verbrennungsmotors gelangen auch bei Anwendung eines Abgaskatalysators in der ersten Minute sehr hohe Emissionen ins Freie. Die hohen schädlichen Emissionen, hauptsächlich HC, CO und NO_x, rühren aus der schlechten Verbrennung und der hohen Reibung der noch kalten Motormassen her, sowie aus schlechter, instabiler Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, das durch Kraftstoffüberschuss kompensiert wird. Außerdem entstehen während der Beschleunigungsphase stark ausgeprägte Emissionsspitzen im unmittelbaren Zu­ sammenhang mit den Getriebeschaltungen, die naturgemäß zu schnellen Last- und Drehzahländerungen führen. Weil in dieser Phase die Gemischbildung ungeregelt ist, werden dynamische Mischfehler zwischen Kraftstoffzugabe und Luftdurchsatz verursacht und die Temperaturverhältnisse in der Brennkammer, insbesondere die Temperaturgradienten in den Brennkammerwänden, sind starken transienten Ände­ rungen unterworfen. Hierdurch werden innerhalb von Sekunden die Voraussetzun­ gen für hohe Emissionsspitzen von HC, NO_x und CO geschaffen. Beispielsweise entsteht bei Belastungsbeginn eine HC-Spitze, beim Erreichen der Schaltdrehzahl unter Volllast eine NO_x-Spitze und während der Schaltung eine CO-Spitze bei Überfettung oder eine NO_x-Spitze bei abgemagertem Gemisch. Gleichzeitig ist der Katalysator noch kalt und deshalb ineffektiv, so dass die schädlichen Abgase unbehandelt entweichen, bis sich der Katalysator ausreichend erhitzt hat.

Bei Dieselmotoren entstehen beim Start und bei der Abfahrtbeschleunigung zusätzlich starke Rauchentwicklung, Lärm und Geruchsbelästigung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Reduzieren der Abgasemissionen eines Verbrennungsmotors sowie ein Abgassys­ tem zum Durchführen dieses Verfahrens der angegebenen Gattung so weiterzubil­ den, dass Emissionsspitzen aufgrund schneller Last- und Drehzahländerungen und instabiler Gemischbildung vermieden werden.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.

Erfindungsgemäß wird bei sprunghaften Änderungen des Drehmomentes und der Drehzahl des Verbrennungsmotors der Druck des gestauten Abgases so gesteu­ ert, dass er sich bei einer Drehmomentzunahme verringert und bei einer Drehmo­ mentabnahme erhöht.

Durch den Rückstau werden Dichte und Temperatur der Abgase erhöht, und der Motor wird zu erhöhtem Kraftstoffumsatz gezwungen. Durch die verdichteten heißen Abgase wird der Wärmeübergang an die Wände der Motorbrennkammern und Abgasleitung und an die Wirkungsflächen des Katalysators erhöht.

Versuche haben ergeben, dass bis zu einem Staudruck von 0,5 bar nur eine geringe Verbesserung der Emissionswerte erzielt wird und dass vorzugsweise der Staudruck über 1 bar angehoben werden sollte.

Die zusätzliche Motorbelastung bei schnellen Last- und Drehzahländerungen wird durch entsprechenden Rückstau der Abgase erreicht, hält die Temperaturver­ hältnisse in den Brennkammern, insbesondere die Temperaturgradienten in den Brennkammerwänden aufrecht und reduziert das Entstehen von dynamischen Gemischfehlern. Dadurch werden die sonst entstehenden Emissionsspitzen vermieden.

Wegen der Rückwirkung der erfindungsgemäßen Maßnahmen auf die Ab­ läufe in der Brennkammer, kann außerdem die Gemischbildung zu einem früheren Zeitpunkt geregelt werden, wozu eine dem Katalysator nachgeschaltete Sauerstoff­ sonde dienen kann.

Wegen der Verminderung des maximalen Drehmoments des Motors sollte der Staudruck nur erzeugt werden, wenn Wärmebedarf besteht, insbesondere wäh­ rend des ersten Zyklus in der ersten Phase (Kaltstart) des US-amerikanischen FTP- 75-Tests. Es besteht deshalb eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, dass der Abgas­ druck so gesteuert wird, dass der Staudruck hoch ist, wenn der Motor nicht mit Drehmoment belastet ist, und dass der Staudruck abgebaut wird, wenn der Motor stark belastet ist.

Eine vorteilhafte Strategie für die Steuerung des Staudrucks zur Verhinde­ rung von starken Emissionsspitzen besteht darin, dass insbesondere beim Wechsel der Getriebeübersetzung der Staudruck

• - bei Leerlauf und Schiebebetrieb einen Höchstwert aufweist, der von der jeweiligen Systemtemperatur abhängt,
• - bei Beginn einer Drehmomentbelastung entsprechend dem Kehrwert des Drehmoments reduziert wird und beim Überschreiten der Hälfte des maximalen Drehmo­ ments ganz ausgeschaltet wird,
• - bei Beginn einer Drehmomentabnahme beim Unter­ schreiten der Hälfte des maximalen Drehmoments ent­ sprechend dem Kehrwert des Drehmoments aufgebaut wird und beim Erreichen oder Unterschreiten des Leerlaufdrehmoments seinen von der Systemtemperatur abhängigen Höchstwert einnimmt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, daß der Abfluß aus dem Rückstau diskontinuier­ lich erfolgt. Durch den diskontinuierlichen Abfluß wird das Abgas taktweise den Katalysator mit besonders hoher Fließge­ schwindigkeit durchströmen, so daß der Wärmeübergang auf die katalytisch beschichteten Flächen besonders effektiv ist.

Vorzugsweise wird die zur Erzeugung des Rückstaus dienende Einrichtung abgeschaltet, sobald der Abgaskatalysator gezün­ det hat, um den Motor zu entlasten.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß der Rück­ stau stromauf von einem dem Abgaskatalysator vorgeschalteten kleiner dimensionierten Vorkatalysator erfolgt. Weil der Vorkatalysator wegen seiner geringeren wirksamen Oberfläche rascher auf Zündtemperatur aufgeheizt werden kann, kommt bei ihm der Effekt der erfindungsgemäßen Maßnahmen noch rascher zur Auswirkung.

Damit auf die zu erwärmenden, katalytisch beschichteten Flä­ chen möglichst viel Wärme übergeht, besteht eine weitere vor­ teilhafte Maßnahme darin, daß das aus dem Rückstau abströmen­ de heiße Abgas in dem rasch zu erwärmenden Katalysatorbereich während einer steuerbaren Verweildauer festgehalten wird. Dabei kann nach einer ersten Variante der rasch zu erwärmende Katalysatorbereich den Vorkatalysator umfassen, es kann aber auch von Vorteil sein, daß nach einer zweiten Variante der rasch zu erwärmende Katalysatorbereich den Vorkatalysator und den Abgaskatalysator umfaßt, wozu gegebenenfalls im Rück­ staubereich ein Speichervolumen hilfreich sein kann.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt der Abfluß aus dem Rückstau nach folgendem Zyklus:

• - Füllung des leeren, rasch zu erwärmenden Katalysa­ torsbereichs aus dem Abgasrückstau,
• - Verweilen der heißen Abgase in diesem Katalysator­ bereich,
• - Entleeren dieses Katalysatorbereichs,

wobei vorzugsweise vor der Füllung des rasch zu erwärmenden Katalysatorbereichs in diesem ein Unterdruck und während der Befüllung ein Überdruck erzeugt wird. Dadurch wird die Einströmgeschwindigkeit des Abgases in den Abgaskatalysator zusätzlich erhöht und durch die sog. Wärmedissipation wandelt sich die Gasgeschwindigkeit in Wärme um, wobei nach einer physikalischen Gesetzmäßigkeit eine Wärmeerhöhung bis um den Faktor 1,4 bezogen auf die absolute Temperatur stattfindet.

Diese gasdynamischen Effekte werden möglich, wenn ausreichend kurz öffnende und schließende Ventile für das Füllen und Ent­ leeren des rasch zu erwärmenden Katalysatorbereichs verfügbar sind und die Öffnungsdauer beim Befüllen so kurz bemessen ist, daß die unter hoher Geschwindigkeit einströmenden und sich im Katalysatorbereich stauenden Abgase am Rückfluß ge­ hindert werden, und daß die Öffnungsdauer beim Entleeren so kurz bemessen ist, daß die mit hoher Geschwindigkeit ausströ­ menden Gase unter Bildung eines Unterdrucks am Rückfluß ge­ hindert werden.

Um den Rückstau zu erzeugen, weist das Abgassystem zur Durch­ führung des erfindunggemäßen Verfahrens in der Abgasleitung mindestens ein frei betätigbares Ventil auf. Dieses Ventil kann nach einer ersten Variante stromauf vom Katalysator angeordnet sein, wodurch die Gasgeschwindigkeit im Katalysator erhöht und dadurch der Wärmeübergang auf die Wirkungsflächen des Katalysators verbessert wird. Nach einer zweiten Varian­ te kann das Ventil stromab vom Katalysator angeordnet sein, wodurch der Druck im Katalysator erhöht und ebenfalls der Wärmeübergang verbessert wird.

Je besser der Wärmeübergang ist, desto größer ist der Tempe­ raturgradient und umso höher ist bei gleichem Energieaufwand die sich einstellende Temperatur der beaufschlagten Oberflä­ che.

Durch die Taktsteuerung mittels Ventilen in der Abgasleitung kann der Rückstau des Abgases sehr präzise geregelt werden durch das Verhältnis von Fließzeit zur Gesamtzeit.

Eine sehr einfache Verfahrensweise zur Beeinflussung der Wär­ meproduktion des Motors entsprechend dem jeweils bestehenden Bedarf besteht darin, daß bei einem in der Abgasleitung ange­ ordneten, periodisch zwischen einer geöffneten und einer ge­ schlossenen Stellung umschaltbaren Ventil, die Dauer der ge­ öffneten Stellung und die Dauer der geschlossenen Stellung derart aufeinander abgestimmt werden, daß sich ein konstan­ ter, dem jeweiligen Wärmebedarf entsprechender Rückstau ge­ genüber dem Motor ergibt.

Hierdurch kann mit einem einfachen, zwischen zwei Stellungen umschaltbaren Ventil eine stufenlose Anpassung des Staudrucks an den jeweiligen Betriebszustand erreicht werden, indem die geschlossene Ventilstellung einen umso größeren zeitlichen Anteil gegenüber der geöffneten Periode erhält, je größer der Wärmebedarf ist.

Aus der DE-PS 31 03 199 ist es bekannt, zum Zwecke der Kabi­ nenheizung einen Abgas-Wasser-Wärmetauscher am Einlaß des Abgaszweiges mit einer zu- und abschaltbaren Drosselung zu versehen, durch die Strömungsgeschwindigkeit im Abgaszweig erhöht wird, um bei niedrigem Wärmeangebot des Motors, ins­ besondere also bei Teillast bzw. im Leerlauf, den Wärmeüber­ gang zu erhöhen und die Heizung ausreichend wirksam zu erhal­ ten. Die Drosselung führt zwar zu einem Abgasrückstau, doch wird dieser im Dauerbetrieb und in der Regel dann erzeugt, wenn der Motor und ein gegebenenfalls vorhandener Katalysator bereits ihre optimale Betriebstemperatur erreicht haben, nicht aber gezielt in der Startphase des Motors, nachdem sich die der bekannten Konstruktion zugrunde liegende Aufgaben­ stellung wesentlich von dem mit der Erfindung zu lösenden Problem unterscheidet.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß sowohl stromauf, als auch stromab vom Abgaskatalysator ein frei betätigbares Ventil angeordnet ist und daß die Öffnungs- und Schließzeiten der beiden Ventile derart aufeinander ab­ gestimmt sind, daß nach dem Schließen des stromauf gelegenen Ventils durch kurzzeitiges Öffnen des stromab gelegenen Ven­ tils vor dem Öffnen des stromauf gelegenen Ventils im Bereich zwischen den Ventilen ein Unterdruck erzeugbar ist.

Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß stromauf vom Abgaskatalysator ein kleiner dimensionierter Vorkatalysator angeordnet ist, dabei kann der Vorkatalysator in Reihe mit dem folgenden Hauptkatalysator geschaltet sein, vorzugsweise ist aber der Vorkatalysator in einem zu- und abschaltbaren Bypass zur Abgasleitung angeordnet, so daß der Vorkatalysator einen höheren Strömungswiderstand erhalten kann und dadurch die rasche Erwärmung weiter gefördert wird, während ein im gesamten Betriebsbereich eingeschalteter Kata­ lysator auf minimalen Druckverlust ausgelegt sein muß. Ein weiterer Vorteil des Bypass-Betriebs des Vorkatalysators ist in der Alterungssicherheit zu sehen, weil der Vorkatalysator nur in der Startphase eingeschaltet ist und dadurch nicht den hohen Belastungen durch die heißen Abgase bei Vollast ausge­ setzt wird, was einen Hauptgrund für die Alterung von Kataly­ satoren darstellt. In der mit den höchsten Emissionen belasteten Startphase steht dadurch mittels des Vorkatalysators ein praktisch alterungsfreier Katalysator zur Verfügung.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann im Bypass stromauf und stromab vom Vorkatalysator und parallel zum Bypass in der Abgasleitung jeweils ein frei betätigbares Ventil angeordnet sein, so daß durch Schließen des Ventils in der Abgasleitung das Abgas über den Bypass geleitet werden kann, wobei dann die beiden im Bypass befindlichen Ventile zur Erzeugung des Rückstaus bzw. der Wärmedissipation am Vor­ katalysator in der oben erläuterten Weise einsetzbar sind.

Eine vorteilhafte Variante hierzu besteht darin, daß stromauf vom Vorkatalysator im Bypass und stromab vom Bypass vor dem Hauptkatalysator und parallel zum Bypass in der Abgasleitung jeweils ein frei betätigbares Ventil angeordnet ist, weil dadurch das den Abgasstrom über den Bypass leitende, parallel zum Bypass angeordnete Ventil verfahrenstechnisch abgedichtet wird und deshalb hohe Staudrücke ermöglicht.

Bei besonders effizienten Motoren kann die an sich bekannte Anwendung von durch Motorabwärme geladenen Latentwärmespei­ chern zur Wärmeabgabe an Wärmeverbraucher im Kraftfahrzeug nicht realisiert werden, weil im Betrieb kein ausreichendes Wärmeangebot zur Ladung des Latentwärmespeichers zur Verfü­ gung steht. Ein Beispiel hierfür sind direkt einspritzende Dieselmotoren unter 2 Liter Hubraum. Da die künftige Ent­ wicklung in Richtung derartiger Motoren geht, kann hier Ab­ hilfe mittels der vorstehend erläuterten Erfindung geschaffen werden, um das Wärmeangebot des Motors zu erhöhen.

Es besteht deshalb eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin, daß in die Abgasleitung ein Abgaswärme­ tauscher einbezogen ist, so daß das erhöhte Wärmeangebot über das Kühlwasser an die Brennkammerwandung zur Erhöhung der Oberflächentemperatur abgegeben werden kann, sowie an das Getriebe- bzw. Motoröl, wodurch Emissionen und Verbrauch reduziert werden. Dabei ist es eine besonders zweckmäßige Wei­ terbildung, wenn in den Kühlwasserkreislauf ein Latentwärme­ speicher einbezogen ist, so daß durch einen Vorlaufbetrieb des Kühlwasserkreislaufs, z. B. ausgelöst durch einen Türkon­ takt, aus dem Latentwärmespeicher bereits vor dem Start des Motors Wärme abgegeben wird.

Eine ganz besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht dar­ in, daß dem Anlasser des Verbrennungsmotors eine Fernbetäti­ gung zur Überbrückung des Zündschlosses zugeordnet ist, und daß diese Überbrückung ein Zeitglied enthält, das nach Über­ schreitung einer vorgegebenen Vorlaufzeit den Zündstrom un­ terbricht. Dabei kann die Fernbetätigung vorteilhafterweise mit dem Schloß der Fahrertür derart verbunden sein, daß bei dessen Öffnung der Motor gestartet wird. Ein Vorlaufbetrieb des Motors von etwa 30 sec in Verbindung mit dem erfindungs­ gemäßen Rückstau der Abgase reicht beim Kaltstart aus, die Emissionsspitzen beim Anfahren des Fahrzeugs zu vermeiden. Diese Zeit von 30 sec verstreicht in der Regel, bis der Fah­ rer nach dem Betätigen des Türschlosses im Fahrzeug Platz genommen und die Startvorbereitungen abgeschlossen hat. So­ fern der Fahrer nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne, beispielsweise von 30 sec, nicht den Schlüssel ins Zündschloß eingeführt und die Zündung eingeschaltet hat, wird der Vor­ lauf durch Unterbrechung des über die Überbrückung fließenden Zündstroms abgebrochen.

Zur Erzeugung eines effektiven Rückstaus ist eine wirksame Drosselvorrichtung von besonderer Bedeutung. Bei bekannten Drehklappenventilen können Druckverluste durch Leckage nicht vermieden werden. Eine weitere, sehr vorteilhafte Ausgestal­ tung der Erfindung besteht deshalb bei einem Drosselventil für das vorstehend erläuterte Abgassystem mit einem einen Strömungskanal umschließenden Gehäuse und einer um eine den Strömungsquerschnitt des Ventils durchquerende Drehachse ver­ schwenkbaren Ventilklappe, wobei die Klappenfläche durch die Drehachse in zwei Teilflächen unterteilt wird, darin, daß die Ventilklappe in Schließstellung sich in einer die Drehachse enthaltenden, quer zur Durchflußachse verlaufenden Schließ­ ebene befindet und mit ihrem Rand in allen Stellungen all­ seits in der Ebene der Klappe einen solchen Abstand vom Ge­ häuse einhält, daß dieser von den während des Betriebs zu erwartenden Wärmedehnungen nicht überwunden werden kann, daß dem Umfangsbereich jeder Teilfläche am Gehäuse jeweils eine bis an die Drehachse herangeführte Anschlagkante zugeordnet ist, und daß diese Anschlagkanten auf unterschiedlichen Sei­ ten der Ventilklappe angeordnet und dieser als stirnseitige Abdichtung zugeordnet sind.

Mit einem derartigen Ventil kann wegen der Stirnflächendich­ tung ein Staudruck von 5 bar erzeugt werden, wobei beider­ seits der Drehachse der Ventilklappe vom Staudruck entgegen­ gesetzt gerichtete Drehmomente erzeugt werden, so daß die Klappe mit relativ geringen Kräften gesteuert werden kann.

Wegen der Rückwirkung der Stauvorrichtung auf den Brennstoff­ verbrauch ist es zumindest bei Ottomotoren erstrebenswert, die Funktion der Stauvorrichtung an den Wärmebedarf anzupas­ sen, der bei niedriger Motorlast groß und bei hoher Motorlast gering ist. Es ist also eine vorteilhafte Ausgestaltung des Systems, in der Abgasleitung eine in Abhängigkeit vom Volu­ menstrom degressiv regelbare Stauvorrichtung anzuordnen, wo­ bei eine Ausführungsform darin besteht, das vorstehend beschriebene Drosselventil so auszugestalten, daß die Dreh­ achse die Ventilklappe außermittig durchquert und in zwei unterschiedlich große Teilflächen derart aufteilt, daß bei der Öffnungsbewegung die größere Klappenteilfläche in Strö­ mungsrichtung bewegt wird, und daß eine das Ventil schließen­ de Rückstellkraft derart über einen Hebel an der Drehklappe angreift, daß der wirksame Hebelarm zwischen der Wirkungsli­ nie der Rückstellkraft und der Drehachse der Klappe mit zu­ nehmender Klappenöffnung abnimmt, und daß das resultierende Drehmoment aus Rückstellkraft und wirksamem Hebelarm degres­ siv ist.

Durch diese Ausgestaltung erzeugt der Staudruck bei geschlos­ senem Ventil zwei entgegengesetzt gerichtete und unterschied­ lich große Drehmomente an der Ventilklappe, wobei das resul­ tierende Moment bestrebt ist, die Klappe zu öffnen. Durch die Rückstellkraft wird die Klappe in Schließstellung gehal­ ten, bis das aus dem Staudruck resultierende Drehmoment die Rückstellkraft überwindet. Das in Schließrichtung wirkende Drehmoment wird umso geringer, je weiter die Klappe geöffnet ist, d. h. mit zunehmendem Massenstrom in der Abgasleitung wird automatisch der Staudruck verringert.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß das Gehäuse aus einer von der Drehachse durchquerten Rohrmuffe und zwei von dieser Rohrmuffe umschlossenen Rohr­ abschnitten besteht, deren der Ventilklappe zugewandte Ränder auf unterschiedlichen Seiten der Drehachse als Anschlagkante für die Ventilklappe in einer parallel zur Ebene der in Schließstellung befindlichen Ventilklappe verlaufenden Ebene höchstens bis auf einen der halben Wandstärke der Ventilklap­ pe entsprechenden Abstand vom Drehzentrum an die Drehachse herangeführt sind und anschließend außerhalb des Schwenkbe­ reichs der Ventilklappe verlaufen, wobei eine einfache Aus­ gestaltung darin besteht, daß die der Ventilklappe zugewand­ ten Ränder der Rohrabschnitte durch eine parallel zur Dreh­ achse verlaufende Stufe in zwei in Durchströmrichtung des Ventils versetzte Abschnitte unterteilt sind, die jeweils par­ allel zur Ebene der in Schließstellung befindlichen Ventil­ klappe verlaufen.

Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache und kostengün­ stige Konstruktion, die auch unter schwierigen räumlichen Verhältnissen relativ einfach montiert werden kann, weil das Ventilgehäuse am Einbauort zusammengefügt werden kann und der wesentliche Teil des Ventils aus der Rohrmuffe mit der darin gelagerten Ventilklappe besteht. Sofern die anschließenden Leitungsteile jeweils durch entsprechende Bearbeitung ihres mit dem Ventil zu verbindenden Endes vorbereitet sind, müssen nur noch diese Leitungsteile entsprechend ausgerichtet, in die Rohrmuffe eingeschoben werden und mit dieser fest verbun­ den werden.

Wenn die Bearbeitung der Rohrenden darauf beschränkt werden soll, sie durch einen ebenen Schnitt zu trennen, und wenn außerdem die Ventilklappe in geöffneter Ventilstellung völlig aus dem Strömungsquerschnitt herausbewegt werden soll, kann eine weitere erfindungsgemäße, als Drosselvorrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Ventilvariante einge­ setzt werden, die ein einen Strömungskanal umschließendes Gehäuse, eine um eine außerhalb des Strömungsquerschnitts des Ventils quer zur Durchflußrichtung angeordnete Achse ver­ schwenkbaren Ventilklappe und einen außerhalb des Gehäuses mit der Achse verbundenen Stellhebel aufweist. Die erfin­ dungsgemäße Ausgestaltung besteht dabei darin, daß der Strö­ mungskanal im Gehäuse von zwei mit Abstand koaxial zueinander angeordneten Rohrabschnitten gebildet wird, die gemeinsam von einem Klappengehäuse umschlossen werden, in dem die Ventil­ klappe mit ihrer Achse derart angeordnet ist, daß sie in Schließstellung in einer die Drehachse enthaltenden, quer zur Durchflußrichtung verlaufenden Schließebene das in das Klap­ pengehäuse ausmündende, eine ebene Ringfläche bildende Ende des stromauf gelegenen Rohrabschnitts abdeckt, während sie in der Öffnungsstellung aus dem Strömungsweg zwischen den beiden Rohrabschnitten herausgeschwenkt ist, daß der Stellhebel mit einem Kolben verbunden ist, der durch eine Rückstellkraft in Richtung auf seine der Schließstellung der Klappe zugeordnete Position belastet ist und in Richtung der Rückstellkraft mit dem stromauf von der Klappe im Strömungskanal herrschenden Gasdruck beaufschlagt ist, wobei die dem Gasdruck ausgesetzte Kolbenfläche etwas kleiner ist als der Öffnungsquerschnitt des in Schließstellung von der Klappe abgedeckten Rohrab­ schnitts, und daß die andere Kolbenfläche wahlweise einem die Rückstellkraft überwindenden Druck aussetzbar ist.

Auf diese Weise wird auch bei einseitig gelagerter Klappe der Staudruck an der geschlossenen Klappe zum größten Teil durch eine aus dem Gasdruck abgeleitete Gegenkraft kompensiert, so daß nur noch eine relativ geringe Zusatzkraft erforderlich ist, um das Ventil dicht zu schließen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß der Kolben in eine zwei Kammern eines Stellzylinders trennende Membran einbezogen ist, daß ein die eine Kammer durchquerender und aus dieser herausgeführter Stößel mit dem Stellhebel in Wirk­ verbindung steht und mit dem Kolben verbunden ist, daß die vom Stößel durchquerte Kammer mit einer Druckquelle verbind­ bar und die andere Kammer mit dem Strömungskanal stromauf von der Schließebene verbunden ist.

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß die Rückstellkraft derart am Hebel angreift, daß der wirksame Hebelarm zwischen der Wirkungslinie der Rückstell­ kraft und der Drehachse der Ventilklappe mit zunehmender Klappenöffnung abnimmt, und daß das resultierende Drehmoment aus Rückstellkraft und wirksamem Hebelarm degressiv ist.

Bei Drehklappenventilen kann in der Regel eine gewisse aero­ dynamische Instabilität nicht völlig vermieden werden. Eine andere vorteilhafte Ausführungsform betrifft deshalb ein Drosselventil ohne eine derartige, unerwünschte Nebenwirkung. Das Ventil mit einem entgegen dem Abgasdruck durch eine Rück­ stellkraft belasteten Ventilkörper ist dadurch gekennzeich­ net, daß die einander zugeordneten Querschnitte von Ventilge­ häuse und Ventilkörper unter Bildung eines Systems von Eng­ pässen derart bemessen sind, daß mit zunehmender Ventilbewe­ gung entgegen der Rückstellkraft die vom Staudruck beauf­ schlagte Fläche des Ventilkörpers zunimmt.

Dabei sind vorzugsweise die Engpässe, der Querschnitt des Ventilkörpers und die Rückstellkraft so aufeinander abgestimmt, daß bei hohem Volumenstrom die vom Staudruck beauf­ schlagte Fläche des Ventilkörpers mindestens so groß ist, daß der zur Aufrechterhaltung dieser Öffnungsstellung erforderli­ che Staudruck nicht größer ist als der zur Öffnung des Ven­ tils erforderliche Staudruck.

In vorteilhafter Ausgestaltung weist das Ventilgehäuse eine in Bewegungsrichtung des Ventilkörpers gerichtete Einström­ öffnung mit im Vergleich zum Querschnitt des Ventilkörpers geringem Querschnitt und eine Kammer zur Aufnahme des beweg­ lichen Ventilkörpers mit einer unter Bildung eines Ringspalts den Durchtritt des Ventilkörpers gestattenden Ausströmöffnung auf, wobei sich die Einströmöffnung vorzugsweise am Ende ei­ nes in die Ventilkammer ragenden, dünnwandigen Rohrstutzens befindet.

Nach einer Variante weisen die Kammer im Ventilgehäuse und die Ausströmöffnung den gleichen Querschnitt auf. Es kann aber auch nach einer anderen Variante die Kammer im Ventil­ gehäuse einen größeren Querschnitt aufweisen als die Aus­ strömöffnung.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist der Ventilkörper einen gleichbleibenden Querschnitt auf.

Vorzugsweise ist die Rückstellkraft abschaltbar, damit die Drosselfunktion ausgeschaltet werden kann, wenn sie nicht benötigt wird. Hierzu kann eine zur Erzeugung der Rückstell­ kraft dienenden Ventilfeder auf einem in Wirkungsrichtung der Feder verstellbaren Widerlager abgestützt sein.

Diese Ventile mit einem in der Ventilkammer linear bewegli­ chen Ventilkörper sind für den Abgashauptstrang nicht sonder­ lich geeignet, weil sie den Durchflußquerschnitt nicht voll­ ständig freigeben können. Sie eignen sich deshalb insbeson­ dere für Systeme, bei denen die Drosselwirkung in einem By­ pass zum Hauptstrang erzeugt wird.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 das schematische Blockschaltbild eines Vierzy­ linderverbrennungsmotors für Kraftfahrzeuge mit einem Abgaskatalysator in der Abgasleitung,

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Anordnung mit einem Vorkatalysator in Bypassanordnung,

Fig. 3 eine Variante mit Turbolader und Abgaswärmetau­ scher,

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausge­ bildetes, zur Staudruckerzeugung geeignetes Dreh­ klappenventil senkrecht zur Drehachse,

Fig. 5 einen Querschnitt durch das in Fig. 4 gezeigte Ven­ til in Richtung der Drehachse,

Fig. 6 eine Vorrichtung zur Erzeugung einer degressiv wir­ kenden Steuerung der Drehklappe,

Fig. 7 einen schematischen Querschnitt durch eine als Kol­ benventil ausgebildete Stauvorrichtung in einer der Schließstellung nahen Stellung,

Fig. 8 das Ventil nach Fig. 7 in einer Zwischenstellung,

Fig. 9 das Ventil nach den Fig. 7 und 8 nahe der maximalen Öffnungsstellung,

Fig. 10 eine andere Ausführungsform eines Kolbenventils in einer der Schließstellung nahen Stellung,

Fig. 11 eine Zwischenstellung des in Fig. 10 gezeigten Ven­ tils,

Fig. 12 das Ventil nach den Fig. 10 und 11 in einer der Öffnungsstellung nahen Stellung,

Fig. 13 einen Querschnitt durch eine Variante eines Dreh­ klappenventils mit einseitig gelagerter Drehklappe und

Fig. 14 eine vergrößerte Darstellung der Vorrichtung zur Kompensierung des Staudrucks dieses Ventils.

Bei einem Verbrennungsmotor 10 sind die Brennkammern 12 mit einer Brennluftleitung 14 und einer Abgasleitung 16 verbun­ den. Zur Reduzierung der schädlichen Emissionen ist in die Abgasleitung 16 ein Abgaskatalysator 18 einbezogen, wobei zwischen dem Motor 10 und dem Abgaskatalysator ein Ventil 20 angeordnet ist. Ein weiteres Ventil 22 ist in Fig. 1 stromab vom Abgaskatalysator 18 dargestellt.

Für die einfachste Anordnung zur Realisierung der Erfindung genügt die wahlweise Anordnung eines der Ventile 20 und 22. Dabei kann das gewählte Ventil 20 oder 22 so eingestellt wer­ den, daß stromauf vom gewählten Ventil ein Abgasstau auf­ tritt, durch den Dichte und Temperatur der Abgase erhöht und der Motor zu erhöhtem Kraftstoffumsatz gezwungen wird, so daß der Wärmeübergang an die Wände der Motorbrennkammern 12 und die katalytisch beschichteten Wirkungsflächen des Abgaskata­ lysators erhöht wird.

Wird das Ventil 20 ausgewählt, so strömt das Abgas mit erhöh­ ter Geschwindigkeit in den Abgaskatalysator 18 ein, wird das Ventil 22 ausgewählt, herrscht im Abgaskatalysator erhöhter Druck. In beiden Fällen wird der Wärmeübergang auf die Wir­ kungsflächen verbessert.

Eine bessere Wirkungsweise läßt sich erzielen, wenn das je­ weils ausgewählte Ventil nicht fest eingestellt wird und ei­ nen kontinuierlichen Abfluß aus dem Staubereich zuläßt, son­ dern wenn das Ventil taktweise geöffnet und geschlossen wird, so daß eine zusätzliche Geschwindigkeitssteigerung beim Öff­ nen des Ventils erreicht wird, die den Wärmeübergang weiter verbessert.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, die beiden Ventile 20 und 22 nicht wahlweise, sondern gemeinsam vorzusehen und da­ bei eine Ventilsteuerung nach einem festgelegten Zyklus in der Weise durchzuführen, daß bei nach dem Entleeren des Ab­ gaskatalysators 18 geschlossenem Ventil 22 das Ventil 20 geöffnet wird, um den Abgaskatalysators 18 mit heißem, mit ho­ her Geschwindigkeit aus dem Staubereich einströmendem Abgas zu füllen, und dann so zeitig wieder geschlossen wird, daß ein Überdruck im Abgaskatalysator entsteht mit gleichzeitig erhöhter Temperatur und Dichte, worauf nach Ablauf einer vor­ bestimmten Verweildauer das Ventil 22 zunächst geöffnet wird, um den Abgaskatalysator 18 zu entleeren und dabei einen Un­ terdruck zu erzeugen, und anschließend wieder geschlossen wird. Hierauf wiederholt sich der Zyklus.

Bei dieser Verfahrensweise wird durch das taktweise Einströ­ men des bereits durch den Stau in seiner Temperatur erhöhten Abgases in den Abgaskatalysator 18 die Wärmeabgabe an die Wirkungsflächen durch Wärmedissipation und durch die erzwun­ gene Verweildauer weiter verbessert.

In den Fig. 6 bis 14 werden Ventile gezeigt, die zur automa­ tischen, degressiven Steuerung des Staudrucks geeignet sind. Dabei sind die Ventilkonstruktionen nach den Fig. 7 bis 12 nicht geeignet, in geöffneter Stellung den vollen Durchström­ querschnitt freizugeben. Die Anordnung solcher Ventile im Abgas-Hauptstrang ist unerwünscht, andererseits weisen sie den Vorteil aerodynamischer Stabilität auf. In Fig. 1 ist deshalb in unterbrochenen Linien eine Einbauvariante für sol­ che Ventile dargestellt, wobei angenommen wird, daß in diesem Fall das Ventil 22 ein Absperrventil ist und ein automatisch degressiv gesteuertes Drosselventil 22a hierzu im Bypass an­ geordnet ist, so daß dieses Drosselventil 22a durchströmt wird, wenn das Ventil 22 geschlossen ist, während der volle Durchflußquerschnitt freigegeben wird, wenn das Ventil 22 geöffnet ist.

Die Fig. 2 zeigt einen zusätzlichen, kleineren Vorkatalysator 18a, der über einen Bypass 26 parallel zum Ventil 20 angeord­ net ist, wobei stromauf vom Vorkatalysator 18a ein frei betä­ tigbares Ventil 28 und stromab vom Vorkatalysator 18a ein ebensolches Ventil 30 angeordnet ist.

Der Vorteil des Vorkatalysators 18a ist zunächst darin zu se­ hen, daß wegen der geringeren Ausdehnung seiner Wirkflächen diese vom Abgasstrom rascher auf die Zündtemperatur aufge­ heizt werden können als die ausgedehnteren Wirkungsflächen des Abgaskatalysators 18, so daß der Emissionsabbau früher einsetzt. Außerdem wird der Vorkatalysator 18a nur in der Startphase eingesetzt, bis der Abgaskatalysator 18 zündet, so daß der Vorkatalysator, wie bereits geschildert, eine hohe Alterungsbeständigkeit aufweist.

Der Vorkatalysator 18a kann in der gleichen Weise betrieben werden, wie sie vorstehend für den Abgaskatalysator 18 be­ schrieben wurde, wozu zunächst das Ventil 20 geschlossen und das Ventil 22 geöffnet wird, worauf die Taktsteuerung am Vor­ katalysator 18a durch die Ventile 28 und 30 erfolgt.

Eine Variante hierzu kann auch darin bestehen, daß das Ventil 30 in den Bereich zwischen der stromab vom Vorkatalysator 18a befindlichen Einmündung des Bypass 26 in den Hauptstrang und dem Hauptkatalysator 18 verlegt wird, so daß bei geschlosse­ nen Ventilen 20 und 30 der Staudruck auf beiden Seiten des Ventils 20 gleich ist und dieses Ventil somit verfahrenstech­ nisch abgedichtet ist, was die Ausbildung eines hohen Stau­ drucks fördert.

Es kann aber auch sinnvoll sein, zugleich den Vorkatalysator 18a und den nachfolgenden Abgaskatalysator 18 taktweise mit dem heißen Abgas zu beaufschlagen. Bei dieser Betriebsweise wird das Ventil 20 geschlossen und das Ventil 30 geöffnet, während der Abgastakt durch die Ventile 28 und 22 bestimmt wird. Wegen des verhältnismäßig großen Volumens zwischen den Ventilen 28 und 22 kann es erforderlich sein, stromauf vom Ventil 28 ein zusätzliches Speichervolumen für das rückge­ staute Abgas vorzusehen, das schematisch bei 32 gezeigt ist.

Die Fig. 3 zeigt eine Variante bei der das zur schnelleren Aufheizung des Abgaskatalysators eingesetzte Verfahren zu­ gleich auch an einem über einen Bypass 34 parallel zum Ventil 22 angeordneten Wärmetauscher 36 anwendbar ist, der im Bypass 34 zwischen Ventilen 38 und 40 eingeschlossen ist, die bei geschlossenem Ventil 22 in gleicher Weise betätigbar sind, wie es oben für die Ventilpaarungen 20 und 22 bzw. 28 und 30, oder 28 und 22 beschrieben wurde. Dieser Wärmetauscher 36 kann mit Vorteil zum Laden eines Latentwärmespeichers 42 ein­ gesetzt werden, der bereits vor dem Motorstart über das Kühl­ wasser die Brennraumwände vorwärmen kann und so die mit dem Kaltstart des Motors sonst verbundene hohe Emissionsspitze drastisch reduziert.

Da durch die erfindungsgemäß Betriebsweise der Temperaturver­ lust an der Turbine eines Abgasturboladers ausgeglichen wer­ den kann, ist der Einsatz eines in Fig. 3 dargestellten Ab­ gasturboladers 44 problemlos möglich.

Zur automatischen Erzeugung eines hohen Staudrucks von z. B. 5 bar mit degressiver Steuerung ist ein Ventil 24 geeignet, das anhand der Fig. 4 bis 6 näher beschrieben wird.

Eine mit 50 bezeichnete rohrförmige Abgasleitung ist im Be­ reich einer Rohrmuffe 52 getrennt, wobei die beiden vonein­ ander getrennten Rohrabschnitte 54 und 56 einen die Einfügung einer Ventilklappe 58 ermöglichenden Abstand voneinander auf­ weisen. Diese Ventilklappe 58 kann als einfaches Stanzteil ausgebildet sein und ist mit einer Drehachse 60 verbunden, die in Lagern 62 und 64 an der Muffe 62 gelagert und auf ei­ ner Seite zur Verbindung mit einem Stell- oder Steuerungsme­ chanismus aus der Muffe 62 herausgeführt ist.

Die Rohrmuffe 52 und die in sie eingreifenden Rohrabschnitte 54 und 56 bilden zusammen das Ventilgehäuse 66.

Der aus der Muffe 52 herausgeführte Abschnitt der Drehachse 60 ist mit einem Bund 61 versehen, der als Widerlager für eine die Drehachse umgebende Druckfeder 63 bildet, die einen innerhalb des als lösbare Kappe ausgebildeten Lagers 64 an­ geordneten und an der Achse 60 ausgebildeten Dichtungsflansch 65 dichtend gegen die Innenseite des Lagers 64 drückt.

Die Ventilklappe 58 hält ringsum einen so ausreichenden Ab­ stand von der Innenwandung des Ventilgehäuses 66, daß dieser die freie Beweglichkeit sichernde Abstand auch nicht durch die im Betrieb unter Wärmeeinfluß zu erwartenden Maßänderun­ gen überwunden werden kann.

Beim gezeigten Beispiel verläuft die Ventilklappe 58 in ihrer Schließstellung senkrecht zur Durchflußrichtung bzw. Achse der Muffe 52 und in dieser Schließstellung liegt die Ventil­ klappe 58 in Schließrichtung an den ihr zugewandten Rändern der beiden Rohrabschnitte 54 und 56 an. Damit die Ventil­ klappe 58 diese Schließstellung unbehindert von den Rohrab­ schnitten 54 und 56 erreichen kann, müssen diese im Bewe­ gungsbereich der Ventilklappe 58 Ausnehmungen 70 bzw. 72 auf­ weisen, die beim gezeigten Beispiel dadurch geschaffen sind, daß die Ränder der Rohrabschnitte 54 und 56 auf der einen bzw. anderen Seite der Drehachse 60 mit einem als Anschlag­ kante 74 bzw. 76 dienenden Abschnitt an die Drehachse 60 her­ angeführt sind und dabei - um in der Öffnungsstellung eine zur Durchflußrichtung parallele Lage der Ventilklappe 58 zu ermöglichen - mindestens einen der halben Dicke der Ventil­ klappe 58 entsprechenden Abstand vom Drehzentrum einhalten. Der jeweils anschließende Abschnitt 78 bzw. 80 ist unter Bil­ dung einer Stufe soweit gegenüber der Anschlagkante 74 bzw. 76 zurückgesetzt, daß der Schwenkbereich der Ventilklappe 58 freigehalten wird, damit sich diese unbehindert zwischen Schließ- und Öffnungsstellung bewegen kann.

Die Drehachse 60 ist derart außermittig im Strömungskanal an­ geordnet, daß der entgegen dem Abgasdruck an der Anschlagkan­ te 74 anliegende Teil der Ventilklappe 58 eine größere Fläche aufweist als der in Richtung des Abgasdrucksdrucks an der Anschlagkante 76 anliegende Teil, so daß der Abgasdruck ein die Ventilklappe öffnendes Drehmoment erzeugt und die Ventil­ klappe 58 nur durch eine diesem Drehmoment entgegengesetzt wirksame Rückstellkraft in geschlossener Stellung gehalten werden kann, bis das aus dem Abgasdruck resultierende Drehmo­ ment die Rückstellkraft überwindet.

Die Drehachse 60 hat einen in Fig. 6 gezeigten, abgewinkelten Endabschnitt, der einen Hebelarm 90 bildet. Am freien Ende des Hebelarms 90, das weiter von der Achse 91 des Leitungs­ abschnitts 50 entfernt ist als das den Hebelarm 90 tragende Ende der Achse 60, greift eine die Ventilklappe 58 in Schließstellung vorspannende Feder 92 an, die an einem Schwenklager 94 abgestützt ist. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß der wirksame Hebelarm zwischen der Drehachse 60 und der Wirkungslinie der Feder 92 mit zunehmender Öffnung der außermittig gelagerten Ventilklappe 58 abnimmt, so daß das resultierende Drehmoment aus Federkraft und wirksamem Hebelarm degressiv ist.

Damit kann das Ventil als Stauvorrichtung in der Abgasleitung von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, um durch einen Abgasrückstau bei Wärmebedarf eine erhöhte Wärmeabgabe des Motors zu erreichen, wobei dieser verbrauchssteigernde Rück­ stau mit zunehmendem Massenfluß automatisch reduziert wird.

Die bei geöffnetem Ventil im Abgasstrom liegende Drehklappe weist eine gewisse aerodynamische Instabilität auf, welche bei den nachfolgend anhand der Fig. 7 bis 12 beschriebenen Ventilkonstruktionen vermieden wird, wobei allerdings in ge­ öffneter Ventilstellung der Durchströmquerschnitt nicht voll­ ständig freigegeben wird.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen schematisch eine Ventilvariante 124a mit einem Ventilgehäuse 130a mit einer Einströmöffnung 132 am Ende eines Einströmkanals 134, einer hinter der Einströmöff­ nung 132 angeordneten, im Querschnitt erweiterten Ventilkammer 136a und einer der Einströmöffnung 132 gegenüberliegenden Ausströmöffnung 138a, deren Querschnitt dem der Ventilkammer 136a gleicht. Der Einströmkanal 134 ist in Form eines kurzen Rohrstutzens 140 etwas in das Innere der Ventilkammer 136a verlängert und bildet dort einen Sitz für einen Ventilkörper 142, der von einer Druckfeder 144 beaufschlagt entgegen der Durchflußrichtung zwischen Einströmöffnung 134 und Ausström­ öffnung 138a vorgespannt ist und unter der Wirkung der Feder 144 am Rohrstutzen 140 aufsitzt, sofern der Abgasdruck nicht in der Lage ist, die Kraft der Feder 144 zu überwinden. Der Querschnitt des Ventilkörpers 142 ist so bemessen, daß zwi­ schen seinem Umfang und der Innenwandung der Ventilkammer 136a ein den Abfluß des Abgases ermöglichender Ringspalt 146a besteht.

Wenn das Ventil 124a geschlossen ist, beaufschlagt der Druck des Abgases auf dem Ventilkörper 142 nur eine Fläche, die dem Querschnitt der Einströmöffnung 134 entspricht. Die Kraft der bei geschlossenem Drosselventil 124a ihre größte Einbau­ länge einnehmenden Druckfeder 144 und die in geschlossener Ventilstellung vom Abgas beaufschlagte Fläche des Ventilkör­ pers 142 bestimmen den Öffnungsdruck des Ventils 124a. So­ bald sich das Ventil 124a öffnet, kann das Abgas über einen mit dem Ventilhub zunehmenden Radialspalt 148 zu dem während der Bewegung des Ventilkörpers 142 in der Ventilkammer 136a gleichbleibenden, axial verlaufenden Ringspalt 146a strömen und von dort seinen Weg durch die Abgasleitung 16 (Fig. 1) fortsetzen, wobei sich der Druck im Radialspalt 148 in Abhän­ gigkeit vom Hub des Ventilkörpers 142 ändert, d. h. mit zuneh­ mender Entfernung des Ventilkörpers 142 vom Rohrstutzen 140 abnimmt, während der Druck im Ringspalt 146a unabhängig vom Hub ist. Durch den Rohrstutzen 140 mit seiner relativ gerin­ gen, dem Ventilkörper 142 gegenüberliegenden Stirnfläche wird gewährleistet, daß in der Anfangsphase der Ventilöffnung der Staudruck nur vom Querschnitt der Einströmöffnung 132 be­ stimmt wird und nicht von der gesamten, dem Ventilkörper ge­ genüberliegenden Querschnittsfläche der Ventilkammer.

Die Feder 144 befindet sich im Inneren eines Zylinders 152, der an einer Stirnseite von einer Membran 153 abgeschlossen wird, die einerseits mit der Wandung des Zylinders 152 und andererseits mit einer Platte 155 am Ende eines Stößels 154 verbunden ist, an dessen anderem Ende sich der Ventilkörper 142 befindet. Die Feder 144 erstreckt sich zwischen der Platte 155 und der Membran 153 gegenüberliegenden Stirnfläche des Zylinders 152. Solange die Funktion des Ventils 124a aufrechterhalten werden soll, wird der Ventilkörper 142 durch die Feder 144 belastet. Soll die Wirkung des Drosselventils 124a bzw. des nachfolgend noch beschriebenen Ventils 124b aufgehoben werden, wird über eine Leitung 156 der Zylinder 152 mit einem Vakuum verbunden, wodurch die Membran mit dem Stößel 154 soweit in den Zylinder 152 zurückgezogen wird, daß das Drosselventil frei durchströmt werden kann.

Die Fig. 8 zeigt die Stellung des Ventilkörpers 142 vor dem Verlassen der Ventilkammer 136a. Wenn der Ventilkörper 142 die Ventilkammer 136a verläßt, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist, verschwindet der Ringspalt 146a und es entsteht ein an­ derer Radialspalt 150 zwischen der Öffnungskante 157 der Ven­ tilkammer 136a und dem Ventilkörper 142, der sich mit zuneh­ mendem Ventilhub vergrößert.

Diese Ventilkonstruktion ist so abgestimmt, daß sich bei re­ lativ geringem Ventilhub ein sanfter Übergang zwischen den verschiedenen, sich degressiv zum Ventilhub verhaltenden Staudruckwerten ergibt, obwohl die von der Druckfeder 144 er­ zeugte Gegenkraft mit zunehmendem Ventilhub zunimmt.

Die Fig. 10 bis 12 zeigen schematisch ein Drosselventil 124b mit einem Ventilgehäuse 130b, bei welchem der Einström­ kanal 134 wieder in einem Rohrstutzen 140 ausmündet. Die Ausströmöffnung 138b der Ventilkammer 136b wird von einer ringförmigen Rippe 139 an der Wandung der Ventilkammer 136b auf einen Querschnitt begrenzt, der nur geringfügig größer ist als die entsprechende Abmessung des Ventilkörpers 142. Wenn der Staudruck auf die von der Einströmöffnung 132 frei­ gegebene Fläche des Ventilkörpers 142 den Gegendruck der Fe­ der 144 überwindet, bildet sich ein Radialspalt 148, der mit fortschreitender Öffnungsbewegung des Ventilkörpers 142 zu­ nimmt, wobei das Abgas über einen axial verlaufenden Ring­ spalt 146b zwischen dem Ventilkörper 142 und der Wandung der Ventilkammer 136b zur Ausströmöffnung 138b gelangen kann. Diese Ausströmöffnung 138b wird aber bereits nach einem kur­ zen Ventilhub vom Ventilkörper 142 erreicht und auf einen gegenüber dem Ringspalt 146a wesentlich geringeren, ebenfalls axial verlaufenden Ringspalt 146b verkleinert, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Erst wenn der Ventilkörper 142 den Bereich der Rippe 139 verlassen hat (Fig. 12), bildet sich ein sich mit fortschreitender Bewegung des Ventilkörpers 142 vergrößernder Radialspalt 150.

Diese Ventilkonstruktion verbindet mit einem größeren Ventil­ hub einen scharfen Übergang von Hoch- auf Niederdruck durch den Wechsel der Druckfläche vom Querschnitt der Einströmöff­ nung 132 auf die Stirnfläche des Ventilkörpers 142.

In Fig. 13 ist ein Drehklappenventil 224 gezeigt, bei welchem die Drehklappe einseitig gelagert ist. Dabei umschließt statt der Rohrmuffe 52 (Fig. 5) ein Klappengehäuse 212 die einander zugewandten Enden der beiden Rohrabschnitte 214 und 216, die jeweils in einer ebenen Ringfläche enden, wobei am Ende des stromauf gelegenen Rohrabschnitts 214 in Schließ­ stellung eine Ventilklappe 218 anliegt, deren Drehachse 220 radial außerhalb des Querschnittsbereichs der Rohrabschnitte 214 und 216 das Klappengehäuse durchquert, das in diesem Be­ reich von einer zur Achse 220 parallelen Fläche 217 begrenzt wird, während die gegenüberliegende Wandung 219 des Klappen­ gehäuses 212 auf dieser Seite einen zu den Rohrabschnitten 214 und 216 konzentrischen, gewölbten Verlauf aufweisen kann.

Die Drehachse 220 ist außerhalb des Klappengehäuses 212 mit einem Hebel 250 versehen, an dem ein Stößel 256 angreift, der mit einem doppeltwirkenden Kolben 258 in einem Zylinder 260 fest verbunden ist. Der Kolben 258 ist in eine den Zylinder 260 in zwei Kammern 262 und 264 unterteilende Membran 266 einbezogen.

Die vom Stößel 256 durchquerte Kammer 262 steht über eine Leitung 270 mit einer Druckquelle, die andere Kammer 264 über eine Leitung 272 mit dem Rohrabschnitt 214 stromauf von der Schließebene in Verbindung.

Eine Feder 268 greift einerseits am Hebel 250 und anderer­ seits am Gehäuse 212 derart an, daß sie die Ventilklappe 218 in ihre geschlossene Stellung vorspannt, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß sich der wirksame Hebelarm zwischen der Wirkungslinie der Federkraft und der Drehachse 220 verrin­ gert, wenn sich der Hebel 250 von seiner der geschlossenen Ventilstellung zugeordneten Stellung in seine der geöffneten Ventilstellung zugeordnete Stellung bewegt, damit das resul­ tierende Drehmoment aus Federkraft und Hebelarm degressiv ist.

Der sich während der Schließbewegung des Ventils mit zuneh­ mender Behinderung des freien Durchflusses stromauf der Schließebene aufbauende Staudruck wirkt der Kraft der Feder 268 entgegen. Da aber dieser Staudruck über die Leitung 272 in der zum Schließen des Ventils erforderlichen Richtung auf den Kolben 258 einwirkt, wegen der gegenüber dem Durchfluß­ querschnitt des Rohrabschnitts 214 kleineren Oberfläche des Kolbens 258 aber eine etwas geringere Kraft ausübt als der direkt auf die geschlossene Ventilklappe 218 ausgeübte Stau­ druck, reicht eine relativ geringe Kraft der Feder 268 aus, um die Ventilklappe 218 in der geschlossenen Stellung zu hal­ ten, so daß also eine relativ weiche Feder 268 eingesetzt werden kann.

Wenn die Funktion dieses Drosselventils ausgeschaltet werden soll, also die Ventilklappe 218 ständig in der geöffneten Position gehalten werden soll, wird die Kammer 262 über die Leitung 270 mit Druck beaufschlagt, um den Stößel 256 in den Zylinder 260 zurückzuziehen.

Claims (19)

1. Verfahren zum Reduzieren der Abgasemissionen eines Verbrennungsmo­ tors (10) für Kraftfahrzeuge mit einem Abgaskatalysator (18), bei dem zumindest in der Kaltstartphase in der Abgasleitung (16) ein Rückstau erzeugt wird, der einen Druckanstieg des Abgases am Abgasauslass des Motors (10) von mehr als 0,5 bar erzeugt, und bei dem der Druck des gestauten Abgases in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter des Motors gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei sprunghaften Änderungen des Drehmomentes und der Drehzahl des Verbren­ nungsmotors, wie sie sich insbesondere beim Wechsel der Getriebeübersetzung er­ geben, der Druck des gestauten Abgases so gesteuert wird, dass er sich bei einer Drehmomentzunahme verringert und bei einer Drehmomentabnahme erhöht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückstau einen Druckanstieg von mindestens 1 bar erzeugt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abfluss aus dem Rückstau diskontinuierlich erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückstau stromauf vom Abgaskatalysator (18) erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die zur Erzeugung des Rückstaus dienende Einrichtung (20; 22; 28) abgeschaltet wird, sobald der Abgaskatalysator (18) gezündet hat.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Rückstau stromauf von einem dem als Hauptkatalysator dienen­ den Abgaskatalysator (18) vorgeschalteten, kleiner dimensionierten Vorkatalysator (18a) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass beim Wechsel der Getriebeübersetzung der Staudruck
bei Leerlauf und Schiebebetrieb einen Höchstwert aufweist, der von der jeweiligen Systemtemperatur abhängt,
bei Beginn einer Drehmomentbelastung entsprechend dem Kehrwert des Drehmoments reduziert wird und beim Überschreiten der Hälfte des maximalen Drehmoments ganz ausgeschaltet wird,
bei Beginn einer Drehmomentabnahme beim Unterschreiten der Hälfte des maximalen Drehmoments entsprechend dem Kehrwert des Drehmoments aufgebaut wird und beim Erreichen oder Unterschreiten des Leerlaufdrehmoments seinen von der Systemtemperatur abhängi­ gen Höchstwert einnimmt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass bei einem in der Abgasleitung angeordneten, periodisch zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung umschaltbaren Ventil die Dauer der geöffneten Stellung und die Dauer der geschlossenen Stellung derart aufeinan­ der abgestimmt werden, dass sich ein konstanter, dem jeweiligen Wärmebedarf ent­ sprechender Rückstau gegenüber dem Motor ergibt.

9. Abgassystem bei Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren mit Abgaskatalysa­ tor (18) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (16) mindestens ein frei be­ tätigbares Ventil (20; 22; 28, 30) angeordnet ist.

10. Abgassystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (20) stromauf vom Abgaskatalysator (18) angeordnet ist.

11. Abgassystem nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass stromab vom Abgaskatalysator (18) ein frei betätigbares Ventil (22) angeord­ net ist.

12. Abgassystem nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungs- und Schließzeiten der beiden Ventile (20, 22) derart aufeinander abgestimmt sind, dass nach dem Schließen des stromauf gelegenen Ventils (20) durch kurzzeitiges Öffnen des stromab gelegenen Ventils (22) vor dem Öffnen des stromauf gelegenen Ventils (20) im Bereich zwischen den Ventilen (20, 22) ein Unterdruck erzeugbar ist.

13. Abgassystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, dass stromauf vom als Hauptkatalysator dienenden Abgaskatalysator (18) ein kleiner dimensionierter Vorkatalysator (18a) angeordnet ist.

14. Abgassystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkatalysator (18a) in Reihe mit dem folgenden Hauptkatalysator (18) geschaltet ist.

15. Abgassystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkatalysator (18a) in einem zu- und abschaltbaren Bypass (26) zur Abgasleitung (16) angeordnet ist.

16. Abgassystem nach Anspruch 1 S. dadurch gekennzeichnet, dass im By­ pass (26) stromauf und stromab vom Vorkatalysator (18a) und parallel zum Bypass (26) in der Abgasleitung (16) jeweils ein frei betätigbares Ventil (28, 30, 20) ange­ ordnet ist.

17. Abgassystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf vom Vorkatalysator (18a) im Bypass (26) und stromab vom Bypass (26) vor dem Hauptkatalysator (18), sowie parallel zum Bypass (26) in der Abgasleitung (16) jeweils ein frei betätigbares Ventil angeordnet ist.

18. Abgassystem nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeich­ net, dass in die Abgasleitung (16) ein Abgas-Wärmetauscher (36) einbezogen ist.

19. Abgassystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlwasserkreislauf ein Latentwärmespeicher (42) einbezogen ist.