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DE3835939A1 - Abgasanlage - Google Patents

Abgasanlage

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DE3835939A1
DE3835939A1 DE3835939A DE3835939A DE3835939A1 DE 3835939 A1 DE3835939 A1 DE 3835939A1 DE 3835939 A DE3835939 A DE 3835939A DE 3835939 A DE3835939 A DE 3835939A DE 3835939 A1 DE3835939 A1 DE 3835939A1
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exhaust system
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air flow
exhaust
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Heino Dipl Ing Fluess
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Volkswagen AG
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasanlage für eine Brenn­ kraftmaschine von Fahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.
Zur weitgehenden Reduzierung der in den Abgasen von Brennkraft­ maschinen enthaltenen vermeintlichen Schadstoffe werden heute üblicherweise in die Abgasanlage eingefügte Katalysatoren ver­ wendet. Diese Katalysatoren sind in der Lage gleichzeitig den Gehalt an Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid weitgehend zu reduzieren, sofern bestimmte Bedingungen bei der Verbrennung in den Brennräumen der Brennkraftmaschine eingehalten werden. Da jedoch die Wirksamkeit der Katalysatoren stark von deren Betriebstemperatur abhängt und bei niedrigen Temperaturen nicht gegeben oder zumindest stark herabgesetzt ist, ergibt sich der Umstand, daß beim Kaltstart eines mit einer katalytischen Abgasreinigungsanlage ausgerüsteten Fahrzeugs relativ große Mengen an ungereinigtem Abgas in die Atmosphäre abgegeben wer­ den. Erst wenn der Katalysator durch die heißen Abgase auf eine Mindestbetriebstemperatur von etwa 300°C erwärmt wird, beginnt der Katalysator in ausreichendem Maße zu arbeiten und die Schad­ stoffe umzuwandeln.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, eine mit einem Katalysator ausgerüstete Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine von Fahrzeugen der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art zu schaffen, bei der ein guter Umsetzungsgrad des Katalysators auch schon beim Kaltstart der Brennkraftmaschine sichergestellt ist.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale erreicht. Erfindungsgemäß wird also eine verbesserte Gesamtwirksamkeit des Katalysators dadurch erreicht, daß dieser schon vor dem Kaltstart der Brenn­ kraftmaschine auf eine für einen guten Umsetzungsgrad erforderliche Mindestbetriebstemperatur von beispielsweise 300°C gebracht wird. Dabei kann die dazu erforderliche Aufheizeinrichtung in ähnlicher Weise wie eine Glühkerze bei einem Dieselmotor unmittel­ bar vor dem Anlassen der Brennkraftmaschine etwa durch Betätigung des Zündschlüssels in eine besondere, die Katalysatorvorheizung bewirkende Stellung eingeschaltet werden.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind aus den Merkmalen der Unteransprüche ersichtlich und sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Abgasanlage mit einer erfindungsgemäßen Katalysatoraufheiz­ einrichtung,
Fig. 2 das die Katalysatoraufheizeinrichtung enthaltende Gehäuse in einem schematischen Längsschnitt in vergrößertem Maßstab,
Fig. 3 einen schematisch dargestellten Ausschnitt aus einer Katalysatoraufheizeinrichtung, die einen Vorkatalysator und einen Hauptkatalysator enthält, und
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Abgas­ anlage mit einer erfindungsgemäßen Katalysator­ aufheizeinrichtung.
In allen Figuren sind die Bezifferungen gleich.
In der Fig. 1 der Zeichnung ist mit 1 eine Abgasanlage einer in einem Fahrzeug, insbesondere einem Personenkraftfahrzeug, eingebauten Brennkraftmaschine angegeben, die einen von den Abgasen der Brennkraftmaschine durchströmten Katalysator 5 auf­ weist. Dieser Katalysator besteht aus einem beispielsweise kerami­ schen oder metallischen Monolith-Körper mit einer Vielzahl von axial durchgehenden, nicht miteinander in Verbindung stehenden Kanälen und ist gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer elastischen Zwischenlage in einem Gehäuse 6 gehalten. Dieses Gehäuse 6 ist einerseits mit einem Leitungsanschluß 7 einer von der Brennkraftmaschine kommenden Abgasleitung und andererseits mit einer zum Abgasschalldämpfer bzw. zum Auslaß führenden Ab­ gasleitung 8 verbunden, in der eine Ventilvorrichtung in Form einer von einem hier nicht gezeigten Antrieb verstellbaren Abgas­ klappe 9 angeordnet ist. Die Durchströmung des Katalysators 5 erfolgt bei geöffneter Abgasklappe 9 in Richtung der in der in Fig. 1 mit unterbrochenen Linien eingetragenen Pfeile, wobei im wesentlichen nur ein mit 5 b bezeichneter äußerer Ringbereich des Katalysators 5 beaufschlagt wird.
Diesem Katalysator 5 ist nun eine insgesamt mit 2 bezeichnete Aufheizvorrichtung zugeordnet, die einen von einem Gebläse 13 geförderten und in einer elektrischen Heizvorrichtung 3 aufge­ heizten sowie gegebenenfalls mit Kraftstoff aus einer Kraftstoff­ zuführungsvorrichtung 4 versehenen Luftstrom zunächst dem inneren Kernbereich 5 a des Katalysators und nach Umlenkung auch dem Ringbereich 5 b zuführt. Dazu ist ein mit dem Gehäuse 6 verbindbares zweites Gehäuse 10 vorgesehen, das aus einem Außengehäuse 15 und einem im wesentlichen konzentrisch dazu gehaltenen Innengehäuse 14 besteht. Das Innengehäuse 14 weist an seinem durch einen Deckel 26 geschlossenen Ende die Kraftstoffzuführungsvorrichtung 4 in Form einer Kraftstoff und Luft unter Druck in den Innenraum 16 einspritzenden Zweistoff-Einspritzdüse 17 auf. Das offene Ende des Innengehäuses 14 ist über ein trichterförmiges Rohr 19 mit dem Außengehäuse 15 verbunden und so in dem zweiten Gehäuse 10 gehalten, daß es nach Zwischenschaltung eines Dichtringes 25 im wesentlichen gasdicht an der Stirnseite des Katalysators 5 anliegt.
In der Nähe seines offenen Endes weist das Innengehäuse 14 an seinem Außenumfang Durchgangsöffnungen, beispielsweise in Form von gleichmäßig über den Umfang verteilten Längsschlitzen 20 auf. Durch die Längsschlitze 20 wird der von dem Gebläse 13 durch die Luftleitung 11 dem Gehäuse 10 zugeführte Luftstrom nach Durchströmung des zwischen dem Innengehäuse 14 und dem Außengehäuse 15 angeordneten Ringraumes 18 in den Innenraum 16 des Innengehäuses 14 geleitet. Von dort gelangt der zuvor in der elektrischen Heizvorrichtung 3 erwärmte Luftstrom in den radial inneren Kernbereich 5 a des Katalysators 5 und nach Durchströmung desselben sowie Umlenkung in dem in Strömungsrich­ tung vorn liegenden Trichterraum 8 a in den äußeren Ringbereich 5 b des Katalysators 5. Dieser Luft- bzw. Rauchgasstrom wird in einem ringförmigen, radial außerhalb des trichterförmigen Rohrteils 19 des zweiten Gehäuses 10 liegenden Sammelraum 22 zusammengefaßt und gelangt dann über den Rauchgasableitungsanschluß 23 zur Atmosphäre oder zu einem dort gegebenenfalls angeschlossenen Wärmetauscher zur Vorwärmung von Arbeitsmitteln der Brennkraft­ maschine wie zum Beispiel des Kühlwassers oder Motoröls, sowie einer Fahrzeuginnenraumheizung.
Die Beaufschlagung des Katalysators mit dem aufgeheizten Luft­ strom soll nun vor dem Anlassen der Brennkraftmaschine erfolgen und kann zweckmäßigerweise, ähnlich wie die Glühkerze eines Dieselmotors, in einer entsprechenden Zwischenstellung des Zünd­ schlüssels eingeschaltet werden. Bei der Einschaltung der Aufheiz­ einrichtung 2 wird die in der Abgasleitung 8 angeordnete Abgas­ klappe 9 geschlossen und gleichzeitig die in der Frischluftlei­ tung 11 angeordnete Klappe 12 ebenso wie die in der Rauchgas­ ableitung 23 angeordnete Rauchgasklappe 24 geöffnet. Zusätzlich wird das Gebläse 13 und die elektrische Heizvorrichtung 3 einge­ schaltet, so daß ein vorgeheizter Luftstrom den Katalysator 5 durchströmt. Die Kraftstoffzuführvorrichtung 4 bleibt dagegen zunachst noch abgeschaltet, zumindest so lange, bis wenigstens ein Teilbereich des Katalysators 5 auf eine vorgegebene Mindest­ temperatur von beispielsweise 300°C aufgeheizt ist. Erst wenn die durch den Katalysator 5 in Richtung der mit ausgezogenen Linien angedeuteten Pfeile strömende, durch die elektrische Heizvorrichtung 3 aufgeheizte Luft wenigstens das vordere Stirn­ gebiet des Kernbereichs 5 a des Katalysators 5 auf diese Mindest­ betriebstemperatur aufgeheizt hat, soll gesteuert etwa durch einen in diesem Katalysatorbereich angeordneten Temperaturgeber, der hier nicht dargestellt ist, zusätzlich auch die Kraftstoffzu­ fuhrvorrichtung 4 zugeschaltet werden.
Diese spritzt ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft, wobei die unter Druck stehende Luft hier nur als Trägerluft für die Zu­ führung und Zerstäubung des Kraftstoffes dient, in den Innen­ raum 16 des Innengehäuses 14 und damit in den über die die Durch­ gangsöffnungen 20 in diesen Innenraum eintretenden vorgewärmten Luftstrom. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird dann von dem Luftstrom in den Kernbereich 5 a des Katalysators 5 mitgerissen. In dem stirnseitigen, also vorderen Kernbereich 5 a des Katalysators 5, der bereits die für eine katalytische Reaktion erforderliche Mindestbetriebstemperatur aufweist, kann das zugeführte Kraft­ stoff-Luft-Gemisch flammlos verbrannt werden, wobei die entstehende Wärme dazu genutzt wird, die restlichen Bereiche des Katalysators 5 aufzuwärmen. Die Kraftstoffzuführung durch die Zweistoffdüse 17 sollte dabei so bemessen sein, daß insgesamt gesehen ein extrem mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer Luftzahl von λ ≈ 5 entsteht, das bei seiner Verbrennung in dem Katalysator eine maximale Temperatur von etwa 750°C erzeugt. Höhere Verbren­ nungstemperaturen sollten schon deshalb vermieden werden, um eine Beschädigung des Katalysators während der Aufheizphase zu vermeiden.
Der Aufheizbetrieb des Katalysators kann beendet werden, wenn am Außenmantel des Katalysators 5 die Mindestbetriebstemperatur von 300°C erreicht ist, was beispielsweise durch einen dort angeordneten, hier ebenfalls nicht gezeigten Temperatursensor erfaßt werden kann. Erst nach Erreichen dieser Mindestbetriebs­ temperatur am Außenmantel des Katalysators 5 sollte ein Anlassen der Brennkraftmaschine möglich werden. Dies kann beispielsweise dadurch sichergestellt werden, daß der Zündschlüssel nur nach Beendigung der Katalysator-Vorwärmphase in die Anlaßstellung verstellt werden kann. Bei Beendigung der Katalysator-Vorwärm­ phase, spätestens aber beim Anlassen der Brennkraftmaschine werden die Frischluftklappe 12 und die Rauchgasklappe 24 in ihre Schließstellung und die Abgasklappe 9 in ihre Öffnungsstel­ lung verstellt, so daß nunmehr nach dem Anlassen der Brennkraft­ maschine die aus der Brennkraftmaschine kommenden Abgase ent­ sprechend den in der Fig. 1 mit unterbrochenen Linien angedeu­ teten Pfeilen durch den Katalysator 5 strömen können. Dabei erfolgt dann eine wirkungsvolle Nachbehandlung durch entsprechen­ de Reduzierung der Schadstoffe, zumal der Katalysator dann von Anfang an die für einen guten Umsetzungsgrad erforderliche Be­ triebstemperatur aufweist. Ein mit einer derartigen Abgasanlage ausgerüstetes Fahrzeug erzeugt somit schon beim Kaltstart nur noch geringe Mengen an Schadstoffen, so daß der Gesamtumsetzungs­ grad für die Schadstoffe wesentlich erhöht wird.
Um sicherzustellen, daß der von der Zweistoffdüse 17 in den Innenraum 16 des Innengehäuses 14 eingespritzte Kraftstoff nicht auch auf die Heizkörper 21 der elektrischen Heizvorrichtung 3 gelangen kann, sind diese außerhalb des Innenraums 16, vorzugs­ weise aber im Bereich der Durchgangsöffnungen 20 im Ringraum 18 angeordnet. Dies gewährleistet einerseits eine wirkungsvolle Erwärmung des Luftstromes kurz vor Erreichen des Katalysators 5 und andererseits einen Schutz der Heizkörper gegen direkte Beaufschlagung mit Kraftstofftröpfchen von der Zweistoffdüse 17.
Zur Zuführung des Kraftstoffes in den Luftstrom wird hier eine Zweistoffdüse 17 verwendet, die unter Druck stehenden Kraftstoff zusammen mit Druckluft in den Innenraum 16 des Innengehäuses 14 einspritzt. Der besondere Vorteil einer solchen Zweistoffdüse besteht darin, daß der Kraftstoff in feinste Tröpfchen aufgerissen und damit gleichmäßig in den Luftstrom verteilt werden kann, so daß günstige Voraussetzungen für die nachfolgende katalytisch bewirkte Verbrennungsreaktion in dem Katalysator 5 erreicht werden. Um eine ungünstige Abkühlung des Luftstroms bei der Durchströmung des Ringraums 18 und des Innenraums 16 des Innen­ gehäuses 14 zu vermeiden, sollten die von dem Luftstrom beauf­ schlagten Flächen eine Wärmeisolierung, vorzugsweise in Form einer Beschichtung mit einem wärmeisolierenden keramischen Ma­ terial aufweisen.
Die Zuführung des unter Druck stehenden Kraftstoffes und der Druckluft zu der Zweistoffdüse 17 erfolgt bei dem in der Fig. 1 der Zeichnung gezeigten mehr labormäßig ausgebildeten System in der Weise, daß der unter Druck stehende Kraftstoff über eine Druckleitung 27 von einem Kraftstoffzwischenbehälter 30 über ein Druckregelventil 29 zugeführt wird. Der Kraftstoffzwischen­ behälter 30 steht dabei über eine mit einem Magnetventil 31 und eine Kraftstofförderpumpe 32 ausgerüstete Kraftstoffzulauf­ leitung 34 mit einem Kraftstofftank 33 zur Zuführung von Kraftstoff und über eine mit einem Magnetventil 36 ausgestattete Rücklauf­ leitung 35 ebenfalls mit dem Kraftstofftank 33 zur Rückführung überschüssigen Kraftstoffes in Verbindung.
Die zu der Zweistoffdüse 17 führende Druckluftleitung 28 ist über ein Rückschlagventil 37, ein Druckmindererventil 38 und ein Magnetventil 39 mit einem Druckluftvorratsbehälter 40 ver­ bunden, der über ein Magnetventil 41 von einem Luftkompressor 42 aufgeladen werden kann. Der Druckluftvorratsbehälter 40 ist über das Magnetventil 39 und ein weiteres Druckmindererventil 43 sowie ein weiteres Magnetventil 44 auch an den Kraftstoff­ zwischenbehälter 30 angeschlossen und setzt diesen unter einen bestimmten Druck, der erforderlich ist, um ein Ausströmen des Kraftstoffes aus der Zweistoffdüse 17 zu ermöglichen. Durch entsprechende Ansteuerung des Regelventils 29 kann der Kraftstoff­ druck und damit die Menge des von der Zweistoffdüse 17 abge­ spritzten Kraftstoffes bestimmt werden. Die zugeführte Kraft­ stoffmenge könnte aber auch zusätzlich oder alternativ durch Änderung des Druckniveaus in der Trägerluftleitung 28 beeinflußt werden. Abgesehen davon ist es selbstverständlich auch möglich, anstelle der in der Zeichnung gezeigten Kraftstoffzuführvorrichtung eine andere einzusetzen, die lediglich ebenfalls geeignet sein muß, relativ kleine Kraftstoffmengen gut verteilt in den dem Katalysator 5 zugeführten Luftstrom einzubringen.
Ein entscheidender Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht dabei darin, mit Hilfe der elektrisch vorgewärmten Luft zunächst nur einen kleinen Teilbereich des Katalysators auf die Mindest­ betriebstemperatur von beispielsweise etwa 300°C aufzuwärmen und die weitere Aufwärmung des Katalysators dann durch Zuführung eines sehr mageren Kraftstoff-Luft-Gemisches zu unterstützen, das in dem Katalysator durch katalytische Reaktion flammlos verbrennt. Dieser Aufheizbetrieb wird dabei so lange fortgesetzt, bis auch in den radial äußeren Zonen des Katalysators wenigstens die Mindestbetriebstemperatur erreicht ist.
Gegebenenfalls kann dieser Aufheizbetrieb auch noch länger durch­ geführt werden, um beispielsweise mit Hilfe der abgeführten Rauchgase das Kühlwasser oder das Motoröl oder andere Betriebs­ stoffe der Brennkraftmaschine auf Betriebstemperatur zu bringen, um so im Kaltstartbetrieb der Brennkraftmaschine auftretende Verluste nach Möglichkeit zu vermeiden. Auch könnte das über den Rauchgasableitungsanschluß 23 abgeführte Rauchgas zur Realisie­ rung einer Standheizung des Fahrgastinnenraumes über einen beson­ deren Wärmetauscher genutzt werden. In diesem Zusammenhang wäre es auch denkbar, die Katalysator-Aufheizeinrichtung zeitgesteuert, das heißt jeweils zu bestimmten einstellbaren Uhrzeiten, die kurz vor der beabsichtigten Inbetriebsetzung des Fahrzeugs liegen sollten, einsetzen zu lassen. In jedem Fall dient aber die Zu­ führung des Kraftstoff-Luft-Gemisches neben der elektrischen Vorwärmung der Luft durch die elektrische Heizvorrichtung dazu, unmittelbar im Katalysator eine Wärme zu erzeugen, die eine wirkungsvolle Aufheizung des Katalysators sichert. Der von dem aufgeheizten und mit dem mageren Kraftstoff-Luft- Gemisch beauf­ schlagte Kernbereich 5 a des Katalysators 5 verringert zwar den Durchströmungsquerschnitt des Katalysators für das Abgas der Brennkraftmaschine. Dieser Kernbereich kann jedoch gegebenen­ falls klein gehalten werden, so daß eine Vergrößerung der Katalysa­ torquerschnitte gegenüber herkömmlichen Ausführungen möglicherweise nicht erforderlich ist.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen der Aufheizeinrichtung 2 zugeordneten Vorkatalysator 5.2 und einen mit Abgas beaufschlagbaren Hauptkatalysator 5.1 auf. Zur Aufheizung des Hauptkatalysators 5.1 wird die Klappe 12 geöffnet und das Gebläse 13 sowie die elektrische Heizvorrichtung 3 einge­ schaltet. Nach der in Fig. 1 schon beschriebenen Methode wird der Vorkatalysator 5.2 zunächst durch den erwärmten Luftstrom auf eine vorgegebene Mindesttemperatur aufgeheizt und dann durch Einschalten der Kraftstoffzuführvorrichtung 4 mit dem extrem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch beaufschlagt. Die bei der flamm­ losen Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches entstandenen heißen Rauchgase sowie die in der Heizvorrichtung 3 und in dem allmählich heißer werdenden Vorkatalysator 52 erhitzte Luft strömen weitestgehend geradlinig in den Hauptkatalysator 5.1 und heizen diesen durch Wärmeübertragung auf. Den Strömungsverlauf der aufheizenden Gase zeigen die mit unterbrochenen Linien einge­ tragenen dünnen Pfeile. Eine Abgasanlage mit einer weitestgehend geradlinigen Führung der aufheizenden Gase setzt dem Gebläse 13 einen kleineren Strömungswiderstand entgegen, so daß die für eine einwandfreie Funktion der Aufheizvorrichtung notwendige Gebläseleistung gegenüber dem in Fig. 1 beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel einer Abgasanlage geringer ist. Ein weiterer Vorteil des in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispieles ist darin zu sehen, daß nur noch eine Stellklappe, nämlich die beispielsweise als selbsttätige Rückschlagklappe ausgebildete Klappe 12, benötigt wird. Damit wird der Aufbau der Abgasanlage vereinfacht und der Steuerungsaufwand reduziert. Der im Vergleich zum Kernbereich 5 wesentlich kleiner ausführbare Vorkatalysator 5.2 kann außerdem in weitaus kürzerer Zeit auf die vorgegebene Mindesttemperatur aufgeheizt werden.
Der Aufbau der in Fig. 4 dargestellten Abgasanlage ist grund­ sätzlich mit demjenigen in Fig. 1 vergleichbar. Der wesentliche Unterschied besteht in einer veränderten Abgasführung, die durch Pfeile mit dicken unterbrochenen Linien dargestellt ist. Der Leitungsanschluß 7 einer von der Brennkraftmaschine kommenden Abgasleitung ist an der der Aufheizvorrichtung 2 gegenüberliegen­ den Stirnseite des Katalysators 5 angeordnet.
Die Ausleitung der im Katalysator 5 gereinigten Abgase erfolgt an der der Aufheizvorrichtung 2 zugewandten Stirnseite des Kata­ lysators 5 durch die zum Abgasschalldämpfer bzw. zum Auslaß führende Abgasleitung 8. Durch diese Art der Abgasführung wird wie bei der in Fig. 3 beschriebenen Abgasanlage nur eine Stell­ klappe - die Klappe 12 - benötigt. Die Klappe 12 ist jedoch direkt vor der der Aufheizvorrichtung 2 zugewandten Stirnseite des Katalysators 5 angeordnet, damit während des Betriebs der Brennkraftmaschine das Eindringen von Abgasen durch den Kernbe­ reich 5 a hindurch in die Aufheizeinrichtung 2 unterbunden werden kann. Während des Aufheizvorganges befindet sich die Klappe 12 in der in der Zeichnung dargestellten Öffnungsstellung. Den Strömungsverlauf der aufheizenden Gase zeigen die Pfeile mit dünnen Linien. Nach dem Aufheizvorgang und vor der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine wird die hier als Drehklappe ausgebildete Klappe 12 um 90° in Schließrichtung verstellt. Die Vorteile des in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispieles sind ebenfalls in einer Vereinfachung des Aufbaus und einer Reduzierung des Steuerungsaufwands zu sehen.
Bei allen Ausführungsbeispielen einer Abgasanlage mit erfindungs­ gemäßen Katalysatoraufheizvorrichtungen kann der im Katalysa­ tor flammlos zu verbrennende Kraftstoff kontinuierlich zugeführt werden. Insbesondere eine intermittierende Kraftstoffzufuhr ermöglicht aber eine gute Beeinflussung der Wärmeführung in den aufzuheizenden Katalysatoren.
Darüber hinaus kann die Zufuhr des Kraftstoff-Luft-Gemisches so gesteuert werden, daß zunächst ein Anteil von beispielsweise 70 % im Kernbereich 5 a des Katalysators 5 bzw. im Vorkatalysa­ tor 5.2 und der restliche Anteil des unverbrannten Kraftstoffs im Ringbereich 5 b bzw. im Hauptkatalysator 5.1 flammlos verbrannt wird. Auf diese Weise können für den Katalysator 5 bzw. für den Katalysator 5.1 insgesamt kürzere Aufheizzeiten erzielt werden.

Claims (27)

1. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine von Fahrzeugen mit einem Katalysator zur katalytischen Behandlung der Abgase, der einen Monolith-Körper mit axial durchgehenden Strömungs­ kanälen und mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung an deren Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine unmittelbar vor dem Anlassen der Brennkraftmaschine einschaltbare Einrichtung (2) zur Aufheizung des Katalysators (5) auf eine vorgegebene Mindesttemperatur vorgesehen ist.
2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizeinrichtung (2) Mittel zur Zuführung eines durch eine Heizeinrichtung (3) aufheizbaren Luftstromes zu wenigstens einem Teil (5 a) der Strömungskanäle des Katalysators (5) aufweist.
3. Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Heizvorrichtung (3) zur Aufheizung des Luft­ stromes vorgesehen ist.
4. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Vorrichtung (4) zur Zuführung von in einem Katalysator flammlos verbrennbarem Kraftstoff in den Luftstrom vorgesehen ist.
5. Abgasanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator für die flammlose Verbrennung des Kraftstof­ fes der Katalysator (5) zur katalytischen Behandlung der Abgase der Brennkraftmaschine ist.
6. Abgasanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator für die flammlose Verbrennung des Kraftstof­ fes ein Katalysator (5.2) zur zusätzlichen Aufheizung des Luftstroms ist.
7. Abgasanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (4) zur Kraftstoffzuführung erst nach Erreichen einer vorgegebenen Mindestbetriebstemperatur in wenigstens einem Teil (5 a) des Katalysators (5) zuschaltbar ist.
8. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung (4) zur Zuführung einer solchen Kraftstoffmenge in den Luftstrom ausgebildet ist, daß sich ein sehr mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet, das bei seiner flammlosen Verbrennung in dem Katalysator (5) eine vorgegebene maximale Betriebstemperatur nicht überschreitet.
9. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung (4) zur Kraftstoffzuführung eine Zweistoff-Einspritzdüse (17) aufweist, die unter Druck stehenden Kraftstoff kontinuierlich oder intermittierend zusammen mit unter Druck stehender Trägerluft einspritzt.
10. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Luftstrom zunächst durch einen der Mittelachse benachbarten Kernbereich (5 a) des Katalysators (5) und anschlie­ ßend nach Umlenkung durch einen den Kernbereich umgebenden Ringbereich (5 b) des Katalysators leitbar ist.
11. Abgasanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein großer Anteil des Kraftstoffes in dem Kernbereich (5 a) des Katalysators (5) und der restliche im Kernbereich (5 a) unverbrannte Anteil des Kraftstoffes im Ringbereich (5 b) flammlos verbrennbar ist.
12. Abgasanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung des Luftstromes in dem Ringbereich (5 b) des Katalysators (5) entgegengesetzt zur Strömung der Abgase gerichtet ist.
13. Abgasanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung des Luftstromes in dem Ringbereich (5 b) des Katalysators (5) die gleiche Richtung aufweist wie die Strö­ mung der Abgase.
14. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kraftstoff zur flammlosen Verbrennung zunächst durch den Vorkatalysator (5.2) leitbar ist, und daß anschließend der Luftstrom durch einen Hauptkatalysator (5.1) leitbar ist, der in geradliniger Strömungsrichtung hinter dem Vorkatalysator (5.2) angeordnet ist.
15. Abgasanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein großer Anteil des Kraftstoffes in dem Vorkatalysator (5.2) und der restliche im Vorkatalysator (5.2) unverbrannte Anteil des Kraftstoffes im Hauptkatalysator (5.1) flammlos verbrennbar ist.
16. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein den die Katalysatoren enthaltendes Gehäuse (6) mit einem zweiten Gehäuse (15) verbunden ist, das von dem von einem Gebläse (13) aus der Umgebung geförderten Luftstrom beaufschlagt ist und das die elektrische Heizvor­ richtung (3) und die Kraftstoffzuführvorrichtung (4) aufnimmt.
17. Abgasanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Gehäuse (15) gegenüber dem von dem Gebläse (13) gelieferten Luftstrom abgetrennte Anschlüsse (7, 23) für eine von der Brennkraftmaschine kommende Abgasleitung sowie eine den Luftstrom nach Durchströmung des Katalysators (5) abführende Rauchgas-Ableitung vorgesehen sind.
18. Abgasanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rauchgasleitung (23) und in der in Strömungsrichtung hinter dem Katalysator (5) liegenden Abgasleitung (8) wechsel­ weise betätigbare Ventilvorrichtungen (24, 9) vorgesehen sind.
19. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einer den Luftstrom zu dem Katalysator führenden Leitung (11) eine Ventilvorrichtung (12) vorgesehen ist, die während der Aufheizperiode des Katalysators (5) zusammen mit der in der Rauchgasleitung (23) angeordneten Ventilvorrichtung (24) in Öffnungsrichtung betätigt ist.
20. Abgasanlage nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauchgasableitungsanschluß (23) mit einem Wärmetauscher zur Aufheizung von Arbeitsmitteln der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeuginnenraums verbindbar ist.
21. Abgasanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gehäuse (10) ein in einem Außengehäuse (15) kon­ zentrisch gehaltenes, rohrförmiges Innengehäuse (14) auf­ weist, das an einem geschlossenen Ende (26) zur Aufnahme der Kraftstoffzuführeinrichtung (4) und an einem offenen Ende zum gasdichten Anschluß an den achsnahen Kernbereich (5 a) des Katalysators (5) ausgebildet ist und das an seinem Außenumfang Durchgangsöffnungen (20) für den Zutritt des durch den Ringraum (18) zwischen dem Innengehäuse (14) und dem Außengehäuse (15) strömenden Luftstroms aufweist.
22. Abgasanlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß im Ringspalt zwischen Innengehäuse (14) und Außengehäuse (15) Heizkörper (21) der elektrischen Heizeinrichtung (3) angeordnet sind.
23. Abgasanlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Durchgangsöffnungen (20) außerhalb des Innen­ gehäuses (14) die Heizkörper (21) der elektrischen Heizvorrich­ tung (3) angeordnet sind.
24. Abgasanlage nach Anspruch 21 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnungen (20) nahe dem offenen Ende des Innengehäuses (14) angebracht sind.
25. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das offene Ende des Innengehäuses (14) über ein trichterförmiges Rohrteil (19) mit dem Außengehäuse (15) derart verbunden ist, daß der von dem Luftstrom durch­ setzte Ringraum (18) von einem die Anschlüsse (7, 23) der Abgasleitung und der Rauchgasableitung aufweisenden Abgas­ raum (22) getrennt ist.
26. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Luftstrom beaufschlagten Wände des Außen- (15) und Innengehäuses (14) wärmeisoliert sind.
27. Abgasanlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände eine wärmeisolierende keramische Beschichtung aufweisen.
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