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DE19854095A1 - Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen

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DE19854095A1
DE19854095A1 DE19854095A DE19854095A DE19854095A1 DE 19854095 A1 DE19854095 A1 DE 19854095A1 DE 19854095 A DE19854095 A DE 19854095A DE 19854095 A DE19854095 A DE 19854095A DE 19854095 A1 DE19854095 A1 DE 19854095A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit zumindest einer von der Maschine abgehenden Abgasleitung, in die zumindest ein Katalysator eingeschaltet ist, wobei das Abgas insbesondere bei kalter Brennkraftmaschine teilweise in einer separaten Leitung geführt ist, die mittels eines Strömungssperrelementes steuerbar ist. Zur verbesserten Nachbehandlung der Abgase bei einer Magermix-Brennkraftmaschine ist ein Drei-Wege-Katalysator möglichst nahe am Maschinenauslaß angeordnet, ferner ein NO¶x¶ Adsorber stromab des Drei-Wege-Katalysators mit einer dazwischenliegenden Abgasrohrlänge (I) von zumindest 1,5 m vorgesehen und schließlich die separate Leitung mit deutlich geringerem Querschnitt und weitgehender Luftspaltisolierung innerhalb der Abgasleitung zwischen dem Drei-Wege-Katalysator und dem NO¶x¶ Adsorber vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1.
Eine derartige Vorrichtung zeigt beispielsweise die DE 36 29 945 A1, bei der in einem einheitlichen Gehäuse ein radial äußerer Katalysatorabschnitt mit einer Abgasleitung und ein zweiter, zentral liegender, kleinerer Kataly­ satorabschnitt mit einer im Durchmesser verminderten separaten Leitung kombiniert ist, die stromab des Katalysators liegen. In der größeren Abgas­ leitung ist ein Strömungssperrelement in Form einer drehbaren Klappe an­ geordnet, mittels der die Abgasleitung, z. B. bei kalter Brennkraftmaschine, absperrbar ist. Die Vorrichtung dient dem Zweck, zunächst durch Absperren der größeren Abgasleitung das Abgas der Brennkraftmaschine nur durch den kleineren, zentral liegenden Katalysatorabschnitt und die separate Lei­ tung abströmen zu lassen, um schnell die Anspringtemperatur (Leight off Temperatur) des Katalysators zu erreichen. Anschließend wird durch Auf­ steuern der drehbaren Klappe der gesamte Katalysatorquerschnitt zur Ab­ gasentgiftung zugeschaltet. Die maximal verkraftbare Temperaturbelastung eines Drei-Wege-Katalysators liegt bei ca. 1000°C.
Für Brennkraftmaschinen mit überwiegendem Magerbetrieb (Lambda < 1) sind ferner NOx-Adsorber entwickelt worden, die ggf. auch mit einem nach­ geschalteten Drei-Wege-Katalysator kombiniert sein können. Diese NOx- Adsorber haben eine niedrigere Anspringtemperatur (ca. 250°C) und auch eine niedrigere Maximaltemperatur-Belastbarkeit von ca. 800°C, ihre Be­ triebstemperatur sollte bei ca. 300-400°C liegen.
Daraus resultiert das Problem, einerseits den NOx Adsorber schnell auf seine Anspringtemperatur zu bringen, ihn andererseits aber nicht zu überhit­ zen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art und kombiniert mit einem NOx Adsorber vorzuschlagen, die bei schnellem An­ sprechverhalten und zuverlässig beherrschbaren Temperaturen baulich günstig und fertigungstechnisch einfach gestaltet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.
Erfindungsgemäß wird in Kombination vorgeschlagen, einen Drei-Wege- Katalysator möglichst nahe an den Maschinenauslaß anzuordnen, zusätzlich einen NOx Adsorber stromab davon in einer Entfernung vorzusehen, die auf­ grund der Abgasabkühlung in dem dazwischenliegenden Abgasrohr eine Überhitzung des NOx Adsorbers unterbindet und schließlich im Kaltfahrbe­ reich eine innerhalb der Abgasleitung liegende separate Leitung zu aktivie­ ren, die bei Bedarf das noch kalte Abgas luftspaltisoliert vom Drei-Wege- Katalysator zum NOx Adsorber leitet. Über den maschinennahe liegenden Drei-Wege-Katalysator wird im Kaltfahrbereich der Brennkraftmaschine eine zunächst schnell einsetzende Konvertierung der Abgase eingeleitet; dabei ist zu berücksichtigen, daß aufgrund der zu fordernden Fahrbarkeit der Brennkraftmaschine im direkten Kaltfahrbereich kein Magerbetrieb, sondern eher eine Kraftstoff-Luft-Gemischzuführung im stöchiometrischen oder fetten Bereich (= Lambda ≦ 1) gefahren wird. Durch die Ableitung der Abgase vom Drei-Wege-Katalysator luftspaltisoliert innerhalb eines im Durchmesser ver­ minderten, separaten Rohres wird zudem trotz der verlängerten Ab­ gasstrecke zum NOx Adsorber eine schnelle Erwärmung auf dessen An­ springtemperatur erreicht. Trotzdem kann ggf. gänzlich auf eine Abgaskühlung - z. B. eine Wasserkühlung - verzichtet werden.
Unterteilt man eine Abgasanlage hinsichtlich der Rohrabschnitte in an sich bekannter Weise in ein Abgasvorrohr, ein Abgasmittelrohr und schließlich ein Abgasendrohr, so kann die separate Leitung zumindest innerhalb des an das Abgasvorrohr anschließenden Abgasmittelrohres bis hin zum NOx Ad­ sorber verlaufen.
Die innerhalb der äußeren Abgasleitung verlaufende separate Leitung kann aber auch noch innerhalb des Abgasvorrohres bis hin zum Drei-Wege-Ka­ talysator geführt sein. Diese Ausbildung bewirkt, daß die Luftspaltisolierung der separaten Leitung schon beim Ausgang des Drei-Wege-Katalysators beginnt und bis hin zum NOx Adsorber verläuft. Der Anfang dieser separaten Leitung kann ggf. sogar so nahe an den Monolythen des Drei-Wege-Kataly­ sators herangeführt sein, daß dessen Durchströmung im Kaltfahrbereich wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt nur in einem zentralen Ab­ schnitt erfolgt.
Bei thermisch hoch belasteten Brennkraftmaschinen mit entsprechend heißem Abgas bei Vollast kann es ferner vorteilhaft sein, wenn die separate Leitung durch einen zwischen dem Drei-Wege-Katalysator und dem NOx Adsorber angeordneten Kühlschalldämpfer hindurch verläuft. Der Kühl­ schalldämpfer ist ein im Durchmesser gegenüber dem Abgasrohr erweitertes Bauteil, welches ggf. zur Erhöhung der Wärmeabstrahlung auch noch mit entsprechenden Kühlrippen versehen sein kann.
Die Abgasleitung und die separate Leitung können fertigungstechnisch be­ sonders vorteilhaft aus zwei doppelwandigen, C-förmigen Halbrohren herge­ stellt sein, wobei die Halbrohre im Strangpreßverfahren gefertigt und an­ schließend durch Längsschweißnähte oder durch entsprechende Lötverbin­ dungen gasdicht miteinander verbunden werden. Die Abgasleitung und die separate Leitung können aber auch einstückig aus einen im Querschnitt durchgehend umgeformten Blech gefertigt und die Endbereiche zumindest am Außenumfang gasdicht verschweißt oder verlötet sein. Alternativ oder bereichsweise kann die Abgasleitung zudem durch einen nicht kreissymme­ trischen Außenumfang und/oder durch längsverlaufende Erhöhungen oder Vertiefungen mit einer vergrößerten Umfangsfläche zur zusätzlichen Abgas­ kühlung und zur Anpassung an Einbauverhältnisse versehen sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzel­ heiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase für eine Brenn­ kraftmaschine mit einer Abgasanlage für eine Vierzylinder-Hubkolben- Brennkraftmaschine;
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1 durch das Abgasmittel­ rohr;
Fig. 3 eine zur Fig. 2 alternative Ausbildung des Abgasmittelrohres in ein­ stückiger Ausführung; und
Fig. 4 eine ebenfalls zur Fig. 2 alternative Ausbildung des Abgasmittelrohres z. B. im Bereich eines Mitteltunnels eines nicht dargestellten Kraft­ fahrzeuges.
Gemäß Fig. 1 ist an einem Zylinderkopf 10 einer nicht näher dargestellten Vierzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug eine all­ gemein mit 12 bezeichnete Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase angeschlossen, die sich im wesentlichen aus einem Abgaskrümmer 14, ei­ nem daran anschließenden Drei-Wege-Katalysator 16, einem Abgasvorrohr 18, einem Abgasmittelrohr 20, einem im Abgasmittelrohr 20 angeordnetem Kühlschalldämpfer 22, einem NOx Adsorber 24, einem unmittelbar daran anschließenden zweiten Drei-Wege-Katalysator 26 und schließlich einem Abgasendrohr 28 mit integriertem weiterem Abgasschalldämpfer 30 zusam­ mensetzt. Das nicht vollständig dargestellte Abgasendrohr 28 endet in be­ kannter Weise am Heck des Kraftfahrzeuges.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, ist der Drei-Wege-Katalysator 16 über all­ gemein mit 32 bezeichnete Flansche unmittelbar an den Abgaskrümmer 14 angeschlossen. Über die weiteren Flansche 32 ist der Drei-Wege-Katalysa­ tor 16 stromabwärts mit dem Abgasvorrohr 18 verbunden. Das Abgasvorrohr 18 wiederum geht über eine Anschlußmuffe 34 in das Abgasmittelrohr 20 über, wobei die Länge l zwischen der Anschlußmuffe 34 und dem NOx Ad­ sorber 24 im Ausführungsbeispiel 2,2 m beträgt; der baulich integrierte Kühl­ schalldämpfer 22 ist maßlich mit einbezogen.
Innerhalb des Abgasmittelrohres 20 ist eine separate Leitung 36 vorgese­ hen, die sich von der Anschlußmuffe 34 beginnend bis unmittelbar zum NOx Adsorber 24 erstreckt. Ferner ist in der Nähe des NOx Adsorbers im Mün­ dungsbereich der separaten Leitung 36 eine drehbare Klappe 38 als Strö­ mungsabsperrelement vorgesehen, die z. B. über an ein Motorsteuergerät angeschlossenes elektromagnetisches Stellglied so steuerbar ist, daß sie die um die separate Leitung 36 herum verlaufende Abgasleitung 20 bei defi­ nierten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine absperrt.
Gemäß Fig. 2 können das Abgasmittelrohr 20 und die separate Leitung 36 zumindest teilweise aus zwei doppelwandigen, C-förmigen Halbrohren 20a und 20b bestehen, die jeweils durch diametral verlaufende Wandbereiche 40 in sich geschlossen sind. Durch Aneinanderfügen der beiden Halbrohre 20a und 20b und gasdichtes Verschweißen oder Verlöten im Bereich der Wandabschnitte 40 wird somit in fertigungstechnisch einfacher Weise das Abgasmittelrohr 20 mit der separaten Leitung 36 geringeren Querschnitts gebildet.
Bei geschlossener Klappe 38 strömt das Abgas nur innerhalb der separaten Leitung 36 und ist über die äußeren Ringräume des Abgasmittelrohres 20 luftspaltisoliert. Dabei können die Wärmebrücken darstellenden Wandab­ schnitte 40 mit Durchbrüchen versehen sein, um den Wärmeübergang zu verringern.
Wird die drehbare Klappe 38 geöffnet, so wird aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes im Abgasmittelrohr 20 vornehmlich der Bereich außerhalb der separaten Leitung 36 des Abgasmittelrohres 20 durchströmt, wodurch nunmehr das Abgas über den Außenumfang des Abgasmittelrohres 20 und über den Kühlschalldämpfer 22 entsprechend gekühlt wird.
Alternativ oder abschnittsweise kann das Abgasmittelrohr 20 gemäß Fig. 3 ausgebildet sein, wobei hier ein zunächst ebener Blechstreifen im Quer­ schnittsverlauf gesehen zunächst zu der separaten Leitung 36' rundgeformt und dann über den radial verlaufenden Wandabschnitt 42 zu dem äußeren Rohrabschnitt 20' des Abgasmittelrohres 20 gebogen wird. Durch eine Längsschweiß- oder Lötverbindung zwischen dem Wandabschnitt 42 und dem endseitigen Umfangsabschnitt (bei 44) wird das Abgasmittelrohr wiederum gasdicht verschlossen. Ggf. können auch am Innenbereich des Wandabschnittes 42 und dem Endbereich der separaten Leitung 36 zumindest punktweise Schweiß- oder Lötverbindungen vorgesehen sein, um ein temperaturbedingtes "Aufrollen" der separaten Leitung 36 auszuschließen. Eine absolute Gasdichtheit ist innerhalb des Abgasmittel­ rohres 20 nicht erforderlich.
Die Fig. 4 schließlich zeigt eine weitere alternative oder abschnittsweise Ausführungform des Abgasmittelrohres 20", wie sie beispielsweise in Verle­ gung in einem Tunnelbereich 46 innerhalb der Karosserie des Kraft- fahrzeuges vorteilhaft sein kann. Dabei ist die Außenkonfiguration des Ab­ gasmittelrohres 20" oval (oder dreieckförmig) ausgebildet und wiederum die innenliegende, separate Leitung 36" über einen Wandbereich 48 unmittelbar angeformt. Das Abgasmittelrohr 20" kann dabei zweischalig ausgeführt sein, mit einer oberen Schale 50 mit der daran angeformten separaten Leitung 36" und einer unteren Schale 52, die als Blechpreßteil hergestellt mit längsverlaufenden Rippen 54 zur verbesserten Abgaskühlung versehen sein kann. Die Halbschalen 50,52 können bei 56 wieder entsprechend gasdicht verbunden sein. Die nicht kreissymmetrische Ausbildung des Abgasmittelrohres 20" hat neben der verbesserten Abgaskühlung den Vorteil, das sie strömungsdynamisch günstig in den Tunnel 46 des Kraftfahrzeuges integrierbar ist, wobei der zur Verfügung stehende Bauraum optimal ausgenutzt werden kann.
Wird die Brennkraftmaschine im kalten Zustand gestartet, so ist über das Motorsteuergerät und das nicht dargestellte elektromagnetische Stellglied die Klappe 38 geschlossen, wobei die Klappe 38 nur das Abgasmittelrohr 20, nicht aber die separate Leitung 36 innerhalb des Abgasmittelrohres 20 verschließt (in der Klappe 38 kann dazu eine entsprechende Ausnehmung vorgesehen sein). Das von der Brennkraftmaschine ausgestoßene Abgas durchströmt somit zunächst den Abgaskrümmer 14, den unmittelbar daran anschließenden Drei-Wege-Katalysator 16, das Abgasvorrohr 18 und von dort beginnend die separate Leitung 36, die sich durch den Kühlschall­ dämpfer 22 und das Abgasmittelrohr 20 erstreckt. An der Mündung der se­ paraten Leitung 36 bei der Klappe 38 durchströmt das Abgas den NOx Ad­ sorber 24, wobei durch die asymmetrische Abströmung (vgl. Zeichnung Fig. 1) ein geringerer Strömungswiderstand und eine günstigere Anordnung und Lagerung der Klappe 38 erreicht wird. Insgesamt werden die unmittelbar vorstehend beschriebenen Bauteile relativ schnell beheizt, so daß der Drei- Wege-Katalysator 16 und der NOx Adsorber 24 schnell ihre Ansprechtemperatur von ca. 350°C und 250°C erreichen.
Sobald der NOx Adsorber 24 seine Anspringtemperatur erreicht hat, wird die Brennkraftmaschine 10 auf magere Gemischzusammensetzung umgeschal­ tet und in bekannter Weise im Magermixbetrieb betrieben. Sobald die Tem­ peratur des NOx Adsorbers 24 einen definierten Schwellwert erreicht hat oder sobald die Lastanforderung der Brennkraftmaschine über ein definier­ tes Maß erhöht wird, wird über die Motorsteuerung die Klappe 38 geöffnet, so daß nunmehr das Abgas vornehmlich über die außerhalb der separaten Leitung 36 liegende Strömungsführung im Abgasmittelrohres 20 zum NOx Adsorber 24 geführt wird. Dieser Übergang kann durch entsprechende Steuerung der Klappe 38 gleitend erfolgen. Durch die zunehmend einset­ zende Abgaskühlung über die außen liegenden Bereiche des Kühlschall­ dämpfers 22 und das Abgasmittelrohr 20 wird die Temperatur am NOx Ad­ sorber 24 auf einen Wert gehalten, der eine optimale Konvertierung der Ab­ gas sicherstellt. Die eingangs genannte Maximaltemperatur von 800°C am NOx-Adsorber 24 wird nicht überschritten.
Die Einhaltung der maximalen Temperatur und auch des Zeitraumes bis zum Anspringen des NOx Adsorbers 24 kann durch die Länge des Abgasmittel­ rohres 20 und durch dessen Gestaltung entsprechend den Fig. 2, 3 oder 4 beeinflußt werden. Hinsichtlich der Länge l sind selbstverständlich die bauli­ chen Gegebenheiten innerhalb des Kraftfahrzeuges zu berücksichtigen. Es versteht sich aber, daß das Abgasmittelrohr 20 nicht unbedingt wie im Aus­ führungsbeispiel geradlinig, sondern zur Erzielung der gewünschten Länge l auch U-förmig oder mäanderförmig ausgebildet sein könnte.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, mit zumindest einer von der Maschine abgehenden Abgasleitung, in die zumindest ein Katalysator eingeschaltet ist, wobei das Abgas insbesondere bei kalter Brennkraftmaschine teil­ weise in einer separaten Leitung geführt ist, die mittels eines Strömungs­ sperrelementes steuerbar ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merk­ male:
  • - ein Drei-Wege-Katalysator (16) ist möglichst nahe am Maschinenauslaß angeordnet, zumindest unmittelbar in einem an einen Abgaskrümmer (14) anschließenden Abgasvorrohr (18);
  • - ein NOx Adsorber (24) liegt stromab des Drei-Wege-Katalysators (16) mit einer dazwischenliegenden Abgasrohrlänge von zumindest 1,5 m, bevorzugt jedoch ≧ 2 m;
  • - die separate Leitung (36) verläuft mit deutlich geringerem Querschnitt und weitgehendst luftspaltisoliert zumindest innerhalb der Abgasleitung (20) zwischen dem Drei-Wege-Katalysator (16) und dem NOx Adsorber (24).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die separate Leitung (36) zumindest innerhalb eines an das Abgasvorrohr (18) an­ schließenden Abgasmittelrohres (20) bis unmittelbar hin zum NOx Adsorber (24) verläuft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsabsperrelement (38) nahe dem NOx Adsorber (24) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die separate Leitung (36) auch innerhalb des Ab­ gasvorrohres (18) bis hin zum Drei-Wege-Katalysator (16) geführt ist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß stromab des Drei-Wege-Katalysators (16) in der Abgasleitung (20) ein Kühlschalldämpfer (22) eingeschaltet ist, dessen vergrößerte Außenumfangsfläche eine vermehrte Wärmeabfuhr ergibt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die se­ parate Leitung (36) durch den Kühlschalldämpfer (22) hindurch erstreckt.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (20) und die separate Leitung (36) zumindest teilweise aus zwei doppelwandigen, C-förmigen Halbrohren (20a, 20b) hergestellt sind, die miteinander durch Längs-, Schweiß- oder Lötverbindungen gasdicht verbunden sind.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (20') und die separate Leitung (36') einstückig aus einem im Querschnitt durchgehenden Blech geformt und zumindest am Außenumfang gasdicht verschlossen ist.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (20") zumindest teilweise durch ei­ nen ovalen Außenumfang und/oder durch längsverlaufende Erhöhungen oder Vertiefungen (54) mit einer vergrößerten Umfangsfläche zur zusätz­ lichen Abgaskühlung versehen ist.
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