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DE4335153A1 - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgas-Turbolader - Google Patents

Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgas-Turbolader

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DE4335153A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgas-Turbolader nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Brennkraftmaschinen mit Abgas-Turbolader bieten ein herausragendes Potential zur Erhöhung der Leistungsdichte der Brennkraftmaschine und damit ein großes Potential zur Steigerung der Fahrleistungen eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeuges. Eines der Ziele bei der zukünftigen Weiterentwicklung der Brennkraftmaschinen mit Abgas-Turbolader ist die Verbesserung des Emissionsverhaltens. Wird in diesem Zusammenhang ein Drei-Wege-Katalysator verwendet, so stellt sich hier das Problem, daß im Vollastbetrieb bei stöchiometrischem Kraftstoff/Luftverhältnis (λ=1) sehr hohe Abgastemperaturen auftreten und bei Anordnung des Katalysators stromauf des Turboladers dieser zerstört werden kann. Wird andererseits der Katalysator stromab des Turboladers angeordnet, so ergibt sich eine lange Zeitspanne bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators, weil in diesem Falle die beim Start noch kalte Masse des Turboladers dem Abgas die Wärme entzieht.
Zur Lösung dieses Problemes sind Konzepte bekannt geworden, bei einem thermisch geschützt stromab des Abgas-Turboladers angeordnetem Abgas-Turbolader die Zeit zur Aufheizung des Katalysators durch eine externe Katalysatorbeheizung zu verkürzen.
In diesem Zusammenhang ist aus der DE-A1 23 44 022 eine Vorrichtung zur Verminderung des Schadstoffgehaltes im Abgas von Verbrennungsmaschinen bekannt, bei der stromauf wie auch stromab einer Turboladerturbine thermische Reaktoren zur Vermeidung der Abgasemission angeordnet sind. Hiermit wird eine vollständige chemische Reaktion im Abgas ermöglicht und gleichzeitig die vom stromauf der Turboladerturbine gelegenen Reaktor freigegebene Energie zum Antrieb des Turboladers ausgenutzt.
Ferner ist es aus der DE-A1 25 49 934 für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgas-Turbolader bekannt, einen Katalysator stromauf oder stromab eines Abgas-Turboladers anzuordnen und parallel eine Bypassleitung zwischen Brennkraftmaschine und einem stromab sowohl des Abgas-Turboladers als auch des Katalysators liegenden Endschalldämpfer vorzusehen. Die Bypassleitung wird geöffnet, wenn der durch den Abgas-Turbolader erzeugte Ladeüberdruck einen vorgegebenen Wert überschreitet. Durch diese Maßnahme werden die Abgasemissionen einer aufgeladenen Brennkraftmaschine durch den Katalysator verbessert, ohne daß zur Vermeidung von Beschädigungen des Katalysators infolge von Überlastung zusätzliche Einrichtungen notwendig sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Turbolader zu schaffen, die zur Abgasentgiftung mit Drei-Wege-Katalysatoren versehen ist, wobei beim Start der Brennkraftmaschine die Verzugszeit bis zum Einsetzen der Abgasreinigung verkürzt ist.
Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, in einer Abgasleitung stromab des Turboladers einen stets vom Abgas durchströmten ersten Katalysator und stromauf des Turboladers einen nur zeitweise vom Abgas durchströmten zweiten Katalysator anzuordnen, wobei der zweite Katalysator nur so lange durchströmt wird, bis die Abgasanlage eine vorgegebene Temperatur erreicht hat. Von besonderem Vorteil ist es bei der Erfindung, daß beide Katalysatoren vor thermischer Überlastung geschützt sind. Dies gilt auch für den Betrieb der Brennkraftmaschine bei Vollast und stöchiometrischem Kraftstoff-/Luftverhältnis (λ=1), bei dem extrem hohe Abgastemperaturen auftreten. Da der zweite, stromauf des Turboladers liegende Katalysator durch seine Lage unmittelbar hinter der Brennkraftmaschine im durchströmten Zustand nach dem Start der Brennkraftmaschine wesentlich höheren Abgastemperaturen ausgesetzt ist, erreicht er binnen kurzer Zeit seine Betriebstemperatur und kann damit die Abgase wirksam reinigen, weil durch die Masse des Turboladers den Abgasen noch keine Energie entzogen worden ist.
In der Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben. Durch diese ist ferner in vorteilhafter Weise erreicht, daß der zweite Katalysator in seinem durchgeschalteten Zustand den Abgasstrom ohne wesentliche Verluste durchleitet und so eine wirkungsgradoptimale Stoßaufladung der Abgasladerturbine ermöglicht. Durch diese Anordnung ist gleichzeitig der zweite Katalysator in besonderer Weise vor thermischer Überlastung geschützt.
Durch das Durchschalten des zweiten Katalysators in dem Moment, in dem der erste Katalysator mit der Abgasreinigung beginnt, ist sichergestellt, daß die Abgasreinigung vom Anspringen des zweiten Katalysators nach dem Start der Brennkraftmaschine an stetig gewährleistet ist.
Allen Ausführungen gemeinsam ist der Schutz der Abgas-Turboladerturbine vor Zerstörung des Turbinenrades durch Auslösen von kleinen Partikeln aus dem sog. "wash-coat", d. h. der Beschichtung des zweiten Katalysators, mittels des heißen Abgasstromes, die dann nachfolgend mit hoher Energie vom Abgasstrom gegen das Turbinenrad geschleudert werden. Schließlich ist die Lage des ersten Katalysators in erweitertem Umfange wählbar, da es nun nicht mehr notwendig ist, den ersten Katalysator für eine möglichst rasche Erwärmung in der Startphase der Brennkraftmaschine direkt stromab des Abgas-Turboladers anzuordnen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand des in der einzigen Figur beschriebenen Ausführungsbeispieles dargestellt.
Eine Brennkraftmaschine 1 saugt über eine Saugleitung 2 Frischluft an, die über den Abgas-Turbolader 3 und die Druckleitung 4 durch einen Ladeluftkühler 5 und eine Drosselklappe 6 hindurch erst in den Ansaugverteiler 23 und dann in die Brennkraftmaschine 1 eintritt. Der Abgasstrom aus der Brennkraftmaschine 1 wird durch eine Abgasanlage 7 ins Freie geleitet. In der Abgasanlage 7 strömen die Abgase zunächst durch eine an der Brennkraftmaschine 1 angesetzte Abgassammelleitung 10 und durch einen Startkatalysator 11 hindurch in eine Abgasturbine 12 des Abgas-Turboladers 3 und anschließend durch einen Hauptkatalysator 13 ins Freie. Hinter der Abgasturbine 12 ermittelt eine Lambdasonde 14 den Sauerstoffgehalt des Abgasstromes. Ferner kann über eine Sekundärlufteinleitung 15 Frischluft der Abgassammelleitung 10 zugeführt werden.
Der Startkatalysator 11 ist als Schaltkatalysator ausgeführt. Er besteht aus einem Gehäuse 26 mit einem Eintrittstück 16, einem Austrittstück 17 und einem dazwischen im Gehäuse 26 liegenden ringförmig ausgebildeten Katalysatorkörper 18. Konzentrisch innerhalb des Katalysatorkörpers 18 und isoliert zu diesem ist ein Bypassrohr 19 angeordnet. Zwischen dem Eintrittsstück 16 und dem Bypassrohr 19 sowie zwischen dem Austrittsstück 17 und dem Bypassrohr 19 ist je ein Ringspalt gebildet, so daß der Abgasstrom sowohl den Katalysatorkörper 18 als auch das Bypassrohr 19 durchströmen kann. Das Eintrittsstück 16, das Bypassrohr 19 und das Austrittsstück 17 fluchten zueinander, wobei der wirksame Durchmesser des Bypassrohres 19 größer als der wirksame Durchmesser des Einlaßstückes 16 und der wirksame Durchmesser des Austrittstückes 17 größer als der wirksame Durchmesser des Bypassrohres 16 ist. Im Bypassrohr 19 ist außerdem eine Steuerklappe 20 vorgesehen, die das Bypassrohr 19 absperren kann und von einer Unterdruckdose 21 betätigt wird. Die Unterdruckdose 21 ist über eine Leitung 22 mit dem Ansaugverteiler 23 der Brennkraftmaschine 1 verbunden, wobei die Leitung 22 ein Magnetventil 24 aufweist.
Das Magnetventil 24 wird über eine Signalleitung 25 von einem nicht gezeigten Steuergerät angesteuert. Im Ruhezustand, d. h. bei nicht erregtem Magnetventil 24, ist die Steuerklappe 20 geöffnet. Im Arbeitszustand, d. h. bei erregtem Magnetventil 24, wirkt der im Ansaugverteiler 23 herrschende Unterdruck auf die Unterdruckdose 21, deren Arbeitshub die Steuerklappe 20 schließt. Zur Ansteuerung des Magnetventiles 24 wertet das Steuergerät die Temperatur des Abgasstranges aus und gibt ein Signal ab, solange die Temperatur einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Die Erfassung der Temperatur erfolgt hier durch einen Temperaturgeber im oder am Hauptkatalysator 13 und die Temperaturschwelle ist mit 300°C so gewählt, daß der Hauptkatalysator seine Mindestbetriebstemperatur erreicht hat.
Die beschriebene Anordnung wirkt wie folgt:
Nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 stellt das Steuergerät fest, daß die Temperatur des Hauptkatalysators 13 unterhalb von 300°C liegt. Das Steuergerät gibt daher ein Signal über die Leitung 25 zum Magnetventil 24 und der durch die Leitung 22 aus dem Ansaugverteiler 23 entnommene Unterdruck schließt über die Unterdruckdose 21 die Steuerklappe 20. Der Abgasstrom der Brennkraftmaschine 1 durchströmt nun vollständig den Katalysatorkörper 18 und heizt ihn rasch auf, so daß die Abgasreinigung ebenfalls rasch einsetzt. Mit weiterem Betrieb der Brennkraftmaschine 1 werden mit zeitlicher Verzögerung auch die Abgasturbine 12 sowie der Hauptkatalysator 13 aufgeheizt. Erkennt das Steuergerät, daß der Hauptkatalysator 13 seine Mindestbetriebstemperatur von 300°C erreicht hat, so schließt es das Magnetventil 24 und die Unterdruckdose 21 führt die Steuerklappe 20 in ihre geöffnete Stellung. Von nun an passiert der Abgasstrom der Brennkraftmaschine 1 den Startkatalysator 11 nahezu vollständig durch das Bypassrohr 19, wobei der Katalysatorkörper 18 mangels Durchströmung nicht weiter wirksam ist. Durch die ungehinderte Durchströmung passieren auch Druckschwankungen des Abgasstromes ungehindert den Startkatalysator 11, so daß eine Stoßaufladung der Abgasturbine 12 möglich ist. Andererseits wird hierdurch der Katalysatorkörper 18 nicht weiter erwärmt; insbesondere erreicht er nicht die bei Vollast auftretenden Temperaturen des Abgasstromes, die zu einer thermischen Überlastung, d. h. Zerstörung des Katalysatorkörpers 18 führen würden. Der Hauptkatalysator 13 hingegen ist durch seine Entfernung zur Brennkraftmaschine 1 und durch seine Lage stromab der Abgasturbine 12 vor diesen Temperaturen geschützt.
Versuche haben gezeigt, daß in der vorstehend beschriebenen Anordnung bei einem Versuchsmotor der Startkatalysator 11 seine Starttemperatur für den Beginn der Abgasreinigung nach 28 Sekunden und der Hauptkatalysator 13 seine Starttemperatur 65 Sekunden nach dem Kaltstart erreicht. Eine wirksame Abgasreinigung setzt also ca. 40 sec. früher ein als dies ohne Startkatalysator 11 der Fall wäre.
Das Einblasen von Frischluft mittels der Sekundärlufteinleitung 15 verbessert zusätzlich das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine 1 nach dem Kaltstart. In dieser Phase hat zum einen die Lambdasonde 14 noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht, zum anderen wird die Brennkraftmaschine nicht immer mit stöchiometrischem Kraftstoff-/Luftverhältnis (λ=1) betrieben, um einen ruckfreien Lauf zu gewährleisten. Da andererseits für eine optimale Wirkung des Startkatalysators 11 zumindest ein stöchiometrisches Kraftstoff-/Luftverhältnis (λ=1) oder gar Luftüberschuß (λ<1) erforderlich ist, wird, solange der Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit stöchiometrischem Kraftstoff-/Luftverhältnis (λ=1) nicht möglich ist, abhängig vom Lastzustand der Brennkraftmaschine 1 über die Sekundärluftleitung 15 dem Abgasstrom soviel Frischluft zugeführt, wie erforderlich ist, um sicher einen Luftüberschuß (λ<1) zu erreichen.

Claims (5)

1. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgas-Turbolader (3) und zumindest einem Katalysator (13), dadurch gekennzeichnet, daß stromab des Abgas-Turboladers (3) ein stets vom Abgasstrom durchsetzter erster Katalysator (13) und stromauf des Turboladers ein zweiter nur zeitweise vom Abgasstrom durchsetzter zweiter Katalysator (11) angeordnet ist.
2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Katalysator (11) aus einem Gehäuse (26) mit einem Eintrittsstück (16) und einem Austrittsstück (17) besteht, zwischen dem Eintrittsstück (16) und dem Austrittsstück (17) ein ringförmiger Katalysatorkörper (18) angeordnet ist, konzentrisch innerhalb des Katalysatorkörpers (18) ein Bypassrohr (19) gehalten ist und das Bypassrohr durch eine fremdbetätigte Steuerklappe (20) verschließbar ist.
3. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Katalysator (11) unter der Bedingung vom Abgasstrom durchsetzt wird, daß die Temperatur der Abgasanlage (7) unter einem vorgegebenen Grenzwert liegt.
4. Abgasanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Abgasanlage (7) durch die Temperatur des ersten Katalysators (13) erfaßt wird, und der Temperaturgrenzwert der Mindestbetriebstemperatur des ersten Katalysators entspricht.
5. Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsstück (16), das Bypassrohr (19) und das Austrittsstück (17) zueinander fluchten, der wirksame Durchmesser des Eintrittstückes (16) größer oder gleich dem wirksamen Durchmesser des Bypassrohres (19) und der wirksame Durchmesser des Austrittstückes (17) größer oder gleich dem wirksamen Durchmesser des Bypassrohres (19) ist.
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