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DE19815502A1 - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine

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DE19815502A1
DE19815502A1 DE19815502A DE19815502A DE19815502A1 DE 19815502 A1 DE19815502 A1 DE 19815502A1 DE 19815502 A DE19815502 A DE 19815502A DE 19815502 A DE19815502 A DE 19815502A DE 19815502 A1 DE19815502 A1 DE 19815502A1
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exhaust
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Heinz-Ewo Von Brand
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Adam Opel GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine (1), insbesondere einen direkt einspritzenden Ottomotor, bei der ein Katalysator (8), insbesondere ein NOx-Adsorber-Katalysator, über zwei Zuleitungen (5, 6) mit Abgas beschickbar ist. Die erste Zuleitung (5) hat einen geringen Wärmeverlust und führt das Abgas bei Kaltstart. Die zweite Zuleitung (6) hat einen erhöhten Wärmeverlust und führt das Abgas während des Dauerbetriebes. Um die Lebensdauer des Katalysators (8) zu erhöhen, ist die erste Zuleitung (5) an der ersten Seite (7) des Katalysators angeschlossen, während die zweite Zuleitung (6) an der zweiten Seite (9) des Katalysators (8) angeschlossen ist. Ventile (4, 11, 14) steuern den Abgasweg so, daß bei Aufheizung des Katalysators (8) die Durchströmungsrichtung entgegengesetzt der bei Dauerbetrieb ist. Die Erfindung sichert ein schnelles Erwärmen des Katalysators (8) auf Starttemperatur, verhindert ein Überhitzen und vermeidet vorzeitiges Altern des Katalysators (8).

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1.
Nach DE-OS 34 39 998 ist es bekannt, bei einer Abgasanla­ ge für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeu­ ges zwei Zuleitungen vom Motor zum Katalysator vorzuse­ hen, wobei diese Abgasleitungen derart ausgebildet sind, daß die Wärmeverluste der heißen Abgase in den verschie­ denen Zuleitungen unterschiedlich sind, indem die Zulei­ tungen sich in ihrer Länge unterscheiden bzw. unter­ schiedlich wärmeisoliert sind oder in unterschiedlichem Maß außengekühlt sind und damit unterschiedliche Wärme­ mengen an die Umgebung abgeben, bevor die darin geführten Abgase den Katalysator erreichen. Absperrvorrichtungen, welche die eine oder die andere Zuleitung in Abhängigkeit von der Abgastemperatur vor dem Katalysator öffnen oder schließen, sorgen dafür, daß der Katalysator bei einem Kaltstartvorgang nur mit dem wärmeren Abgas über die Zu­ leitung mit geringeren Wärmeverlusten beschickt wird. Nachdem der Katalysator seine Starttemperatur erreicht hat, wird durch die Absperrvorrichtungen die Zuleitung mit den größeren Wärmeverlusten freigegeben, so daß in der Folge ein Abgas mit reduzierter Temperatur zum Kata­ lysator gelangt. Einer Überhitzung des Katalysators kann damit vorgebeugt werden.
Insbesondere wenn der Katalysator als NOx-Adsorber-Kata­ lysator ausgebildet ist, wie er bei Brennkraftmaschinen mit extremem Magerbetrieb zur Reduzierung der dann ent­ stehenden höheren NOx-Anteile im Abgas erforderlich ist, dann tritt neben der relativ hohen Überhitzungsempfind­ lichkeit als weiteres Problem die relativ schnelle Alte­ rung eines solchen Systems auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere unter Verwendung eines NOx-Adsorber-Katalysators zu schaffen, bei der neben ei­ ner schnellen Erwärmung des Katalysators nach einem Kalt­ start der Brennkraftmaschine und dem Vorbeugen gegenüber einer Überhitzung des Katalysators die Alterung des Kata­ lysators deutlich verzögert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.
Infolge der unterschiedlichen Wärmeverluste in den beiden alternativ schaltbaren Zuleitungen zu dem Katalysator kann bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine und bei kaltem Katalysator das Abgas relativ ungekühlt dem Kata­ lysator zugeführt werden, und zwar an der Seite, die in besonderer Weise, z. B. durch großporige Ausbildung des Katalysatorkörpers, an die Belastung durch heißes Abgas angepaßt ist.
Die mit dem heißen Abgas transportierte große Wärmemenge erwärmt den Katalysator schnell auf seine Betriebstempe­ ratur, so daß nur eine geringe Abgasmenge ungereinigt die Abgasanlage verläßt.
Nach Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators wird, ausgelöst durch Wärmesensoren, der Transport des Abgases von der Brennkraftmaschine zum Katalysator umge­ schaltet auf die Zuleitung mit dem größeren Wärmeverlust. Das Abgas gelangt jetzt an die andere Seite des Katalysa­ tors und durchströmt den Katalysator in entgegengesetzter Richtung, verglichen mit der Strömungsrichtung während der Anwärmphase. Damit kann auch die jetzt als Einström­ seite fungierende Seite des Katalysators speziell an diese relativ konstante Betriebstemperatur des Abgases konstruktiv angepaßt werden.
Allein durch den Wechsel der Durchströmungsrichtungen für die Anwärmphase und die Dauerbetriebsphase kann eine Ver­ längerung der Lebensdauer des Katalysators erzielt wer­ den. Durch besondere konstruktive Anpassungen der Ein­ strömbereiche an die unterschiedlichen Abgastemperaturen an den beiden Seiten des Katalysators kann darüber hinaus die Lebensdauer des Katalysators weiter erhöht werden.
In besonders vorteilhafter Weise ist eine erfindungsge­ mäße Abgasanlage für die Anordnung eines NOx-Adsorber-Ka­ talysators an eine Brennkraftmaschine mit extremem Mager­ betrieb, z. B. einem direkt einspritzenden Ottomotor, ge­ eignet. Dabei kann der wechselweise von beiden Seiten an­ geströmte Katalysator als NOx-Adsorber-Katalysator ausge­ führt sein, dem auch ein Start-Katalysator vorgeordnet und ein Dreiwege-Katalysator nachgeordnet sein können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an­ hand einer Zeichnung, die ein Schema einer Abgasanlage zeigt, näher erläutert.
Eine für extremen Magerbetrieb ausgelegte Brennkraftma­ schine 1 ist mit einer Abgashauptleitung 2 versehen, in welcher ein Start-Katalysator 3 enthalten ist. Die Abgas­ hauptleitung 2 führt zu einem Schaltventil 4, welches den in der Abgashauptleitung 2 geführten Abgasstrom entweder auf eine erste Abgas-Zuleitung 5 mit geringem Wärmever­ lust oder auf eine zweite Abgas-Zuleitung 6 mit erhöhtem Wärmeverlust umschaltet. Die erste Zuleitung 5 führt zu einer ersten Seite 7 eines NOx-Adsorber-Katalysators 8. Die zweite Zuleitung 6 führt zu einer zweiten Seite 9 des NOx-Adsorber-Katalysators 8. Von der ersten Seite 7 des NOx-Adsorber-Katalysators 8 führt eine Umleitung 10, die mit einem Schaltventil 11 verschlossen oder geöffnet wer­ den kann, an eine Abgasleitung 12 stromab des NOx-Adsor­ ber-Katalysators 8. Die Abgasleitung 12 beginnt an der zweiten Seite 9 des NOx-Adsorber-Katalysators 8 und führt zu einem Dreiwege-Katalysator 13. Die Abgasleitung 12 ist in ihrem Verlauf zwischen der zweiten Seite 9 des NOx-Ad­ sorber-Katalysators 8 und dem Eintritt der Umleitung 10 mit einem Schaltventil 14 versehen, welches den Durchgang der Abgasleitung 12 öffnen oder schließen kann. Eine Lei­ tung 15 führt vom Dreiwege-Katalysator 13 zu einem nicht dargestellten Schalldämpfer und von diesem ins Freie.
Bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 und bei ei­ ner Temperatur des NOx-Adsorber-Katalysators 8 unterhalb seiner Starttemperatur wird durch eine nicht dargestellte Steuerung das Schaltventil 4 so gestellt, daß von der Ab­ gashauptleitung 2 ein freier Gasdurchtritt zu der ersten Zuleitung 5 ermöglicht ist. Gleichzeitig werden das Ven­ til 11 in der Umleitung 10 geschlossen und das Ventil 14 in der Abgasleitung 12 geöffnet.
Das von der Brennkraftmaschine 1 kommende Abgas passiert somit den Start-Katalysator 3 und gelangt mit relativ ho­ her Temperatur durch die erste Zuleitung 5 an der ersten Seite 7 in den NOx-Adsorber-Katalysator 8. Dieser wird somit relativ schnell auf seine Starttemperatur erwärmt und kann dabei NOx-Bestandteile speichern. Das Abgas ver­ läßt den NOx-Adsorber-Katalysator 8 an seiner zweiten Seite 9 und gelangt durch die Abgasleitung 12 in den Dreiwege-Katalysator 13, in dem es in üblicher Weise von schädlichen Bestandteilen befreit wird. Aus dem Dreiwege- Katalysator 13 gelangt das Abgas durch die Leitung 15 und den Schalldämpfer ins Freie.
Die während der Magerphase der Brennkraftmaschine 1 ent­ stehenden und im NOx-Adsorber-Katalysator 8 gespeicherten NOx-Bestandteile werden in regelmäßigen, in Abhängigkeit von einem Kennfeld oder einem Signal eines NOx-Sensors ausgelösten Abständen durch kurzzeitiges Umschalten der Brennkraftmaschine auf Lambda gleich 1 oder Lambda klei­ ner als 1 in unschädliche Verbindungen umgewandelt.
Sobald die Temperatur des NOx-Adsorber-Katalysators 8 ei­ nen kritischen Wert übersteigt, wird das Schaltventil 4 so gestellt, daß von der Abgashauptleitung 2 ein freier Gasdurchtritt zu der zweiten Zuleitung 6 ermöglicht ist. Gleichzeitig werden das Ventil 11 in der Umleitung 10 ge­ öffnet und das Ventil 14 in der Abgasleitung 12 geschlos­ sen.
Das von der Brennkraftmaschine 1 kommende Abgas gelangt nun nach Passieren des Start-Katalysators 3 durch die zweite Zuleitung 6 mit relativ hohem Wärmeverlust an die zweite Seite 9 des NOx-Adsorber-Katalysators 8 und durch­ strömt diesen in im Vergleich zur Anwärmphase entgegenge­ setzter Richtung. Dadurch wird der Katalysatorkörper ge­ schont, während die Funktion des NOx-Adsorber-Katalysa­ tors 8 auch bei dieser Durchströmungsrichtung erhalten bleibt. Das Abgas verläßt den NOx-Adsorber-Katalysator 8 an seiner ersten Seite 7 und gelangt durch die Umlenkung 10 in den Dreiwege-Katalysator 13, von diesen durch die Leitung 15 in den Schalldämpfer und danach in die Atmo­ sphäre.
Eine Abgasanlage nach der Erfindung ermöglicht somit den Betrieb eines Katalysators, insbesondere auch eines NOx- Adsorber-Katalysators, innerhalb festliegender Tempera­ turgrenzen und sichert gegenüber bekannten Anlagen eine erhöhte Lebensdauer.

Claims (4)

1. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit zumin­ dest einem Katalysator zur Aufbereitung der schädli­ chen Bestandteile des Abgases, wobei sich eine von der Brennkraftmaschine kommende Abgashauptleitung in zwei zum Katalysator führende Zuleitungen teilt, die Wärmeverluste für die geführten Abgase in den beiden Zuleitungen unterschiedlich sind und Absperreinrich­ tungen vorgesehen sind, welche die beiden Zuleitun­ gen alternativ aktivieren, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (8) in kaltem Zustand über die erste Zuleitung (5) mit geringem Wärmeverlust an ei­ ner ersten Seite (7) mit Abgas beschickt wird, wel­ ches an einer zweiten Seite (9) den Katalysator (8) verläßt und der Katalysator (8) in erwärmten Zustand über die zweite Zuleitung (6) mit hohem Wärmeverlust an seiner zweiten Seite (9) mit Abgas beschickt wird, welches ihn an seiner ersten Seite (7) ver­ läßt.
2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der über zwei Zuleitungen (5, 6) versorgbare Ka­ talysator (8) als NOx-Adsorber-Katalysator ausgebil­ det ist, dem ein Dreiwege-Katalysator (13) nachge­ ordnet ist.
3. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem über zwei Zuleitungen (5, 6) ver­ sorgbaren Katalysator (8) ein in der Abgashauptlei­ tung (2) angeordneter Start-Katalysator (3) vorge­ ordnet ist.
4. Abgasanlage nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden alternativ genutzten Einströmseiten des Katalysators (8) spezi­ fisch auf die vorrangig auftretende Abgastemperatur angepaßt sind.
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