DE19529835A1 - Abgasstrang eines Ottomotors - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang eines Ottomo
tors, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges, mit
einer Abgasrohrleitung, einem durch eine Lambda-Sonde ge
regelten Dreiwege-Oxydationskatalysator und einem mit se
lektiver katalytischer Reduktion arbeitenden Katalysator,
einem sogenannten SCR-Katalysator, zur weiteren Reduzie
rung von NOx.
Beim Betrieb von Ottomotoren in Kraftfahrzeugen ist es
üblich, im Abgasstrang mindestens einen Katalysator vor
zusehen, welcher als Dreiwegekatalysator unverbrannte
Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxyd und zum Teil Stickoxyde
in einem ausreichenden Maße abbaut, wenn der Motor mit
einem annähernd stöchiometrischen Gemisch betrieben wird.
Dies wird in bekannter Weise mittels einer Lambda-Rege
lung erreicht, bei der eine Sauerstoffsonde im motornahen
Abgasstrom die Gemischzusammensetzung mißt.
Um den Anteil der Stickoxyde im Abgas weiter zu reduzie
ren, sind sogenannte Zweibettkatalysatoren bekannt (Bosch
- Kraftfahrttechnisches Taschenbuch, 19. Auflage, 1984,
Seite 445), bei denen in einem Gehäuse ein Reduktions- sowie
ein Oxydationskatalysator untergebracht sind. Der
Motor muß dabei mit einem fetten Gemisch bei einer Luft
zahl Lambda von etwa 0,9 gefahren werden. Im ersten Kata
lysator, dem Reduktionskatalysator, wird NO reduziert,
wobei u. a. NH₃ entsteht. Nach Zugabe von Sekundärluft,
z. B. mittels einer Sekundärluftpumpe, kann dann im zwei
ten Katalysator, dem Oxydationskatalysator, die Oxydation
von CO und HC ablaufen. Dabei verbrennt aber auch ein
Teil des NH₃ wieder zu NO. Nachteilig ist auch, daß der
Reduktionskatalysator nur eine relativ geringe Temperatur
bis maximal 700°C verträgt, während bei Ottomotoren mit
stöchiometrischem Gemisch oder magerer Abgastemperaturen
deutlich über 900°C auftreten. Mit diesen bekannten Kata
lysatorenanordnungen ist somit nur ein verbrauchsungün
stiger Motorbetrieb mit fettem Gemisch möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abgasstrang mit einem
Oxydationskatalysator sowie einem Reduktionskatalysator
zu schaffen, welcher einen kraftstoffverbrauchsenkenden
Magerbetrieb mit entsprechend geringen Mengen an Kohlen
dioxyd bei ausreichender Lebensdauer ermöglicht und bei
dem die Stickoxydanteile im Abgas trotzdem niedrig gehal
ten werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
der SCR-Katalysator in einem parallel zur Abgasrohrlei
tung zwischen der Lambda-Sonde und dem Oxydationskataly
sator verlaufenden Bypassrohr angeordnet ist und zumin
dest das Bypassrohr oder die Abgasrohrleitung mit einer
in Abhängigkeit von den Motorparametern beeinflußten Ab
gasklappe regelbar sind.
Damit kann bei hohem Anteil von NOx im Abgas das voll
ständige Abgasvolumen oder auch nur ein Teil des Abgasvo
lumens vor Eintritt in den Oxydationskatalysator den SCR-
Katalysator durchlaufen, wobei unter der Voraussetzung
der richtigen Temperatur von ca. 300°C bis maximal 700°C
die im Abgas vorhandenen oder zugeführten HC-Bestandteile
in H und C aufgelöst werden. Diese Elemente suchen Bin
dung zu Sauerstoff und oxydieren zu H₂O und CO₂. Ebenso
wird NOx aufgespalten in N und O, wobei die Sauerstoff
atome Bindungen mit dem vorhandenen H und C eingehen und
die freien Stickstoffatome sich zu N₂, dem in der Luft
vorhandenen Stickstoffgas, verbinden. Das zuviel vorhan
dene CH-Gas geht als Schlupf durch den SCR-Katalysator
und wird im nachfolgenden Oxydationskatalysator nachver
brannt.
Durch eine gezielte Steuerung des Durchflußvolumens kann
der SCR-Katalysator auf seiner wirksamen Temperatur ge
halten werden, auch wenn der nachfolgende Oxydationskata
lysator bei einer höheren Temperatur arbeitet. Damit ge
lingt es, den Anteil der NOx-Bestandteile am Abgas we
sentlich zu reduzieren. Die Lebensdauer des SCR-Katalysa
tors bleibt infolge der reduzierten Temperaturen gegen
über dem Oxydationskatalysator erhalten. Der Motor kann
mit kraftstoffsenkendem Magerbetrieb gefahren werden, bei
dem eine entsprechend geringe Menge Kohlendioxyd emit
tiert wird und trotzdem die Stickoxydanteile im Abgas
niedrig gehalten werden.
In vorteilhafter Weise kann der Abgasstrang auch in Ver
bindung mit einem oder mehreren Startkatalysatoren be
trieben werden, indem der bzw. die Startkatalysatoren in
einem Bereich zwischen Lambda-Sonde und Oxydationskataly
sator in der Abgasrohrleitung bzw. in einem Bereich des
Abgaskrümmers angeordnet sind und von dem Bypassrohr um
gangen werden.
Die Abgasklappen in dem Bypassrohr und/oder in der Abgas
rohrleitung werden in Abhängigkeit von den Temperaturen
des SCR-Katalysators und des Oxydationskatalysators sowie
vom Sauerstoffanteil des Abgases an der Lambda-Sonde ge
steuert. Zur Steuerung der Abgasklappen kann zusätzlich
auch eine Stickoxyd-Sonde Verwendung finden, die gleich
falls wie die Lambda-Sonde vor dem SCR-Katalysator im Ab
gasstrom angeordnet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend an
hand von Zeichnungen näher beschrieben, wobei die Fig.
1 bis 3 schematisch jeweils ein Beispiel für einen erfin
dungsgemäßen Abgasstrang eines Vierzylindermotors dar
stellen.
Fig. 1 zeigt eine Grundausführung der Erfindung. Am Ab
gasflansch 1 eines Vierzylinder-Ottomotors schließt ein
Verteilerrohr 2 eines Abgaskrümmers 3 an. Am Abgaskrümmer
3 ist eine Lambda-Sonde 4 eingesetzt. In Fig. 1 und 2
setzt sich der Abgasstrang fort bis zu einer Abzweigung
5, an welcher von einer Abgasrohrleitung 6 ein Bypassrohr
7 abzweigt. Sowohl in der Abgasrohrleitung 6 als auch im
Bypassrohr 7 ist jeweils eine regelbare Abgasklappe 8
bzw. 9 angeordnet. Im Bypassrohr 7 ist darüber hinaus ein
SCR-Katalysator 10 angeordnet.
Wie eine modifizierte Ausführungsform in Fig. 2 zeigt,
kann in der Abgasrohrleitung 6 ein Startkatalysator 11
vorgesehen sein. An einem Rohrknoten 12 laufen die Abgas
rohrleitung 6 und das Bypassrohr 7 wieder in einem Sam
melrohr 13 zusammen. Im Sammelrohr 13 ist ein geregelter
Dreiwege-Oxydationskatalysator 14 angeordnet. Von diesem
durchläuft das Abgas ein Endrohr 15 und gelangt durch
dieses ins Freie.
Fig. 3 zeigt eine gegenüber Fig. 2 weiter modifizierte
Ausführungsform der Erfindung. Am Abgasflansch 1 schließt
hier ein Verteilerrohr 2′ mit zwei Krümmerrohren 3′ an,
die mit einem Verbindungsrohr 16 zum Schwingungsausgleich
der Gassäulen verbunden sind. In beiden Krümmerrohren 3′
ist jeweils ein Startkatalysator 11′ angeordnet. Im Ver
bindungsrohr 16 ist die Lambda-Sonde 4 eingesetzt. Vom
Verbindungsrohr 16 geht ein Bypassrohr 7 aus. Die Krüm
merrohre 3′ laufen an einem Rohrknoten 17 zu der Abgas
rohrleitung 6 zusammen. Sowohl in der Abgasrohrleitung 6
als auch in dem Bypassrohr 7 ist jeweils eine Abgasklappe
8 bzw. 9 angeordnet. Im Bypassrohr 7 befindet sich der
SCR-Katalysator 10. Abgasrohrleitung 6 und Bypassrohr 7
laufen am Rohrknoten 12 zu einem Sammelrohr 13 zusammen,
in dessen Verlauf ein geregelter Dreiwege-Oxydationskata
lysator 14 angeordnet ist. Von diesem gelangt das Abgas
über ein Endrohr 15 ins Freie. Die Abgasklappen 8 und 9
werden über elektrische oder pneumatische Stellmotoren
bewegt, welche über einen elektronischen Rechner oder
über das vorhandene elektronische Motormanagement ent
sprechend den Abgaswerten und Temperaturen gesteuert wer
den.
Mit einem derartigen Abgasstrang kann ein Ottomotor in
einem kraftstoffsparenden Magerbetrieb gefahren werden,
bei dem entsprechend geringe Mengen CO und HC mit dem Ab
gas emittiert werden. Die dabei auftretende erhöhte Tem
peratur des Abgases ist für das schnelle Ansprechen eines
Startkatalysators und eines Oxydationskatalysators von
Vorteil. Der bei dem Magerbetrieb auftretende erhöhte
NOx-Anteil im Abgas wird in dem Volumen, welches durch
den SCR-Katalysator geleitet wird, wieder reduziert. Da
die Menge des durch den SCR-Katalysator strömenden Abga
ses temperaturabhängig geregelt wird, kann der SCR-Kata
lysator auch bei funktionsbedingt notwendiger Anordnung
vor dem Oxydationskatalysator auf einem geringeren Tempe
raturniveau betrieben werden als der Oxydationskatalysa
tor.
Claims (4)
1. Abgasstrang eines Ottomotors, insbesondere zum An
trieb eines Kraftfahrzeuges, mit einer Abgasrohrlei
tung, einem durch eine Lambda-Sonde geregelten Drei
wege-Oxydationskatalysator und einem mit selektiver
katalytischer Reduktion arbeitenden Katalysator, ei
nem sogenannten SCR-Katalysator, zur weiteren Redu
zierung von NOx, dadurch gekennzeichnet, daß der
SCR-Katalysator (10) in einem parallel zur Abgas
rohrleitung (6) zwischen der Lambda-Sonde (4) und
dem Oxydationskatalysator (14) verlaufenden Bypass
rohr (7) angeordnet ist und zumindest das Bypassrohr
(7) oder die Abgasrohrleitung (6) mit einer in Ab
hängigkeit von den Motorparametern beeinflußten Ab
gasklappe (8, 9) regelbar sind.
2. Abgasstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Bereich zwischen Lambda-Sonde (4) und
Oxydationskatalysator (14) ein oder mehrere Startka
talysatoren (11; 11′) angeordnet sind und von dem
Bypassrohr (7) umgangen werden.
3. Abgasstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abgasklappen (8, 9) in dem Bypass
rohr (7) und/oder in der Abgasrohrleitung (6) in Ab
hängigkeit von der Temperatur des SCR-Katalysators
(10) und des Oxydationskatalysators (14) sowie vom
Sauerstoffanteil des Abgases an der Lambda-Sonde (4)
gesteuert sind.
4. Abgasstrang nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Steuerung der Abgasklappen (8, 9) eine
im Abgasstrom vor dem SCR-Katalysator (10) angeord
nete Stickoxyd-Sonde einwirkt.
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