DE19948148A1 - Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Es wird ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine mit katalytischer Abgasreinigung über einen hinter einem Abgaskrümmer eingesetzten Vorkatalysator und einen im Abgasstrom dahinter angeordneten Hauptkatalysator, insbesondere einem NO¶x¶-Speicherkatalysator, zur Verfügung gestellt, dessen katalytische Abgasreinigung über einen erweiterten Motorbetriebsbereich dadurch optimiert werden kann, indem im Kraftfahrzeug ein Luftleitschacht (1) angeordnet ist, der in einem Bereich der Front des Kraftfahrzeuges eine Eintrittsöffnung (2) aufweist und dessen Ende auf den Abgaskrümmer (9) und/oder einen Abgaskühler gerichtet ist und der im Bereich der Eintrittsöffnung (2) eine steuerbare Schaltklappe (3, 4) aufweisen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine mit katalytischer Abgasreinigung über mindestens einen unmittelbar hinter einem Abgaskrümmer einge­ setzten Vorkatalysator und mindestens einem im Abgasstrom dahinter angeordneten Hauptkatalysator, insbesondere einem NOx-Speicherkatalysator.
Bekannte Kraftfahrzeugmotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung arbeiten in einem weiten Teil eines Motorbetriebskennfeldes mit einem Luftüberschuß, was eine deutliche Verringerung des Kraftstoffverbrauches ermöglicht. Unter diesen Randbedingungen kön­ nen zur Konvertierung der Stickoxyde keine konventionellen Dreiwege-Katalysatoren eingesetzt werden. Für die Stickoxydkonvertierung von magerem Abgas werden deshalb u. a. NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt.
Mit solchen NOx-Speicherkatalysatoren können ausreichend hohe Konvertierungsraten jedoch nur in einem schmalen Abgastemperaturfenster erreicht werden, wodurch der den Wirkungsgrad steigernde Magerbetriebsbereich des Motors stark begrenzt wird. Somit ist es notwendig, den Motorbetrieb und das Katalysatorsystem so aufeinander abzustim­ men, daß die Abgastemperaturen am Eintritt in den oder die Speicherkatalysator/en über einen möglichst großen Motorbetriebsbereich innerhalb dieses Temperaturfensters lie­ gen. Bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten ist diesbezüglich die obere Temperatur­ grenze problematisch. Für die Erweiterung des Motorbetriebsbereiches bei höheren Mo­ tordrehzahlen und Motorbelastungen sind daher Maßnahmen sinnvoll, die zur Abkühlung des Abgases und damit auch der Absenkung der Katalysatortemperatur führen.
Bei einer bekannten Abgasanlage, DE 41 27 634 A1, ist ein Vorrohr eines konventionel­ len Dreiwege-Katalysators mit einer Hülle umgeben, die als Kühlluftrohr bis zum Endrohr der Abgasanlage geführt ist und dort in einer Saugstrahlpumpe unter Ausnutzung des Abgasstromes endet. Nachteilig an dieser vorbekannten Abgasanlage ist insbesondere, daß sich nur die Temperatur des Abgases vor dem Hauptkatalysator beeinflussen läßt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine zur Verfü­ gung zu stellen, dessen katalytische Abgasreinigung über einen erweiterten Motorbe­ triebsbereich optimiert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen erfin­ dungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebene technische Lehre vermittelt.
Im Fahrzeug ist dazu ein Luftleitschacht angeordnet, der in einem Bereich der Front des Kraftfahrzeuges eine Eintrittsöffnung aufweist und dessen Ende auf den Abgaskrümmer und/oder einen speziellen Abgaskühler gerichtet ist und der im Bereich der Eintrittsöff­ nung mit einer steuerbaren Schaltklappe versehen sein kann.
Über diesen Luftleitschacht läßt sich insbesondere bei höheren Fahrgeschwindigkeiten der Auspuffkrümmer und damit das Abgas herunterkühlen, so daß sich ebenfalls die Temperaturen eines Vor- und Speicherkatalysators verringern. Ein weiterer Vorteil der Abgaskühlung besteht darin, daß bei hohen Motordrehzahlen und -lasten die thermische Belastung von Vor- und Speicherkatalysator herabgesenkt wird, was erheblich zur Ver­ längerung der Bauteillebensdauer beiträgt.
Wenn im weiteren Text ein Vorkatalysator und/oder ein Hauptkatalysator erwähnt wird, so können hierunter auch jeweils mehrere solche Katalysatoren an einem einzigen Kraftfahrzeug gemeint sein.
Weiterhin kann eine Vollastanreicherung des Verbrennungsgemisches zurückgenommen werden, was zu einer deutlichen Verbrauchsminderung und Erhöhung der Katalysatorlebensdauer führt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus und in Kombination mit den weiteren, abhängigen Ansprüchen.
Die im Bereich der Eintrittsöffnung des Luftleitschachtes optional angeordnete Schalt­ klappe kann entweder zwei Schaltzustände, geöffnet und geschlossen, aufweisen oder stufenlos regelbar ausgebildet sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die steuerbare Schaltklappe als Luftumlenkvorrichtung ausgebildet, so daß sie in einer Betriebsstellung den Kühlluftstrom in Richtung auf einen Kühlwasser-Wärmetauscher umlenkt und so sichergestellt werden kann, daß beispielsweise bei einer Bergfahrt des Kraftfahrzeuges unter hoher Last und zu hoher Kühlmitteltemperatur der Brennkraftmaschine der Luft­ strom zur zusätzlichen Kühlung des Kühlwasser-Wärmetauschers genutzt werden kann. In einem solchen, sehr selten auftretenden Betriebsfall kann dann der Bauteileschutz für den Vorkatalysator und den Speicherkatalysator über eine erhöhte Anreicherung des Verbrennungsgemisches gewährleistet werden.
Zur Vergrößerung der Effektivität der Abgaskühlung kann die Eintrittsöffnung Luftleitble­ che aufweisen, die trichterförmig ausgebildet sind sowie im Bereich der Eintrittsöffnung ein Gebläse angeordnet sein, um auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten eine befriedi­ gende Kühlung des Abgases bzw. der Katalysatoren gewährleisten zu können.
Zusätzlich können neben diesen Maßnahmen zur Erhöhung des Luftdurchsatzes und der Strömungsgeschwindigkeit im Luftleitschacht Luftführungsbleche angeordnet sein, um eine gezielte Führung der Luftströmung um die zu kühlenden Bauteile zu verwirklichen. Weiterhin kann die gesamte Abgasanlage ergänzend oder optional optimiert ausgebildet sein, beispielsweise über eine Verrippung oder über den Einsatz von speziellen Rohr­ geometrien mit größerer Oberfläche, über eine Beschichtung der Abgasanlage zur Erhö­ hung der Emissionskoeffizienten und damit der Wärmeabgabe durch Strahlung ebenso wie Maßnahmen zur Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen Abgas und Abgasanlage vorgesehen sein können.
Die Schaltklappe wird bevorzugterweise über eine elektronische Steuerung des Motor­ managements bedient, wobei die Schaltklappe in einer Ruhestellung oder einer Default- Stellung aufgesteuert ist und während den nachfolgend aufgezählten Betriebsbedingun­ gen zugesteuert ist: während des Aufheizens des Vor- und Hauptkatalysators nach ei­ nem Motorstart oder wenn eine Entschwefelung des Vor- und Hauptkatalysators erfor­ derlich ist; wenn die Abgastemperatur nach dem Hauptkatalysator geringer ist als der Taupunkt oder wenn die Kühlmitteltemperatur geringer ist als eine Minimumschwelle; wenn die Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator kleiner ist als eine Minimumschwelle und die Abgastemperatur nach dem Vorkatalysator kleiner ist als eine Minimumschwelle und gleichzeitig die Temperatur des Hauptkatalysators kleiner ist als eine Minimum­ schwelle oder wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit geringer ist als eine Minimumschwelle.
Die Schaltklappe ist in eine Umlenkstellung gesteuert, wenn die Kühlmitteltemperatur der Brennkraftmaschine größer ist als eine Maximumschwelle und die Abgas- bzw. Kataly­ satortemperatur größer ist als eine Maximumschwelle.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Abgaskühlung,
Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Version mit Luftumlenkvorrichtung,
Fig. 3 eine weitere Version einer Abgaskühlung in Seitenansicht,
Fig. 4 eine Darstellung der Fig. 3 in einer Draufsicht,
Fig. 5 eine weitere Version der Abgaskühlung in Seitenansicht und
Fig. 6 eine Darstellung zweier Luftströmungen der Version nach Fig. 5.
Ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine 10 mit katalytischer Abgasreinigung mit einem unmittelbar hinter einem Abgaskrümmer 9 angeordneten Vorkatalysator 7 und einem im Abgasstrom dahinter angeordneten, als NOx-Speicherkatalysator ausgebilde­ ten Hauptkatalysator 8 weist zur Kühlung des Abgases einen Luftleitschacht 1 auf, der im Bereich der Front eines Kraftfahrzeuges eine Eintrittsöffnung 2 besitzt und dessen Ende auf den Abgaskrümmer 9 und/ oder einen zeichnerisch nicht dargestellten Abgaskühler gerichtet ist und im Bereich der Eintrittsöffnung 2, die bevorzugt hinter einem Kühler­ schutzgitter 12 angeordnet ist, eine steuerbare Schaltklappe 3; 4 aufweist. Diese Schalt­ klappe 3; 4 besitzt entweder zwei Schaltzustände, einen aufgesteuerten Zustand und ei­ nen zugesteuerten Zustand oder ist stufenlos regelbar ausgebildet, wodurch die Abga­ stemperatur besonders genau auf den optimalen Arbeitsbereich des NQx-Speicherkatalysators eingeregelt werden kann.
Eine steuerbare Schaltklappe 4, wie in Fig. 2 dargestellt, ist als Luftumlenkvorrichtung ausgebildet, die in eine Durchflußstellung gebracht werden kann, in der der Kühlluftstrom in Richtung auf einen Kühlwasser-Wärmetauscher ausgerichtet ist, was insbesondere in dem seltenen Fall bei einer Bergfahrt unter hoher Last und zu hoher Kühlwassertempe­ ratur der Fall sein kann, wobei dann zum Bauteileschutz jedoch eine erhöhte Anreiche­ rung des Verbrennungsgemisches notwendig wird.
Eine konkretere Ausführungsform weist, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, hinter einem Kühlerschutzgitter 12, welches oberhalb eines Stoßfängers 15 und unterhalb einer Motorhaube 14 angeordnet ist, eine Eintrittsöffnung 2 des Luftleitschachtes 1 auf, welche an ihrer Vorderseite Luftleitbleche 6 aufweist, die trichterförmig angeordnet sind. Inner­ halb des Belüftungsschachtes 1 ist eine steuerbare Schaltklappe 3 angeordnet, der sich im Luftleitschacht 1 ein flexibles Element 16 zur schwingungstechnischen Entkopplung von Brennkraftmaschine 10 und Karosserie anschließt, wobei der Luftleitschacht 1 in ein auf den Krümmer 9 gerichtetes Wärmeabschirmblech 11 mündet, um die heißen Abgase vor dem Vorkatalysator 7 auf eine gewünschte Temperatur herunterkühlen zu können. Innerhalb des Wärmeabschirmbleches 11 können weitere Luftleitbleche vorgesehen sein, die zur Vergleichmäßigung der Anströmung der Abgasrohre der einzelnen Zylinder dienen, was insbesondere bei schräger Anströmung der Abgasrohre sinnvoll ist.
Die Steuerung der Schaltklappe 3 erfolgt über ein Steuergerät 17, welches zusätzlich zu den bekannten Motorbetriebsdaten über einen vor und/oder hinter dem Vorkatalysator und/oder vor dem Hauptkatalysator angeordneten Temperatursensor 18 mit auszuwer­ tenden Prozeßdaten versorgt wird.
Weiterhin kann, wie in Fig. 1 dargestellt, zusätzlich auch das Vorrohr des als Speicher­ katalysator ausgebildeten Hauptkatalysators 8 auf eine bekannte Art und Weise gekühlt werden, beispielsweise durch zusätzliche Luftleitbleche 13 in der Unterbodenkapsel des Kraftfahrzeuges, die optional auch schaltbar ausgeführt sein können.
Gemäß weiterer, zeichnerisch nicht dargestellter Ausführungsformen der Erfindung kann entweder zur Erhöhung des Luftdurchsatzes und der Strömungsgeschwindigkeit durch den Luftleitschacht 1 im Bereich seiner Eintrittsöffnung 2 oder stromab der Schaltklappe 3 ein zusätzliches Gebläse vorgesehen werden oder zur Verbesserung der Wärmeabfuhr die Abgasanlage eine zusätzlich Verrippung aufweisen oder auch der Einsatz von speziellen Rohrgeometrien mit größerer Oberfläche erfolgen wie auch eine Beschichtung der Abgasanlage zur Erhöhung der Emissionskoeffizienten und damit der Wärmeabgabe durch Strahlung dazu beitragen kann oder es können weitere bekannte Maßnahmen zur Erhöhung des Wärmeüberganges zwischen dem Abgas und der Abgasrohrwand oder zwischen dieser und der Umgebung getroffen werden.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Version wird die Kühlluft unterhalb des Stoßfängers 15 entnommen. Diese Ausführung kann besonders vorteilhaft sein bei Fahrzeugen mit sehr stark heruntergezogener Motorhaube 14, wenn ein Lufteintritt im Kühlerschutzgitter 12 nur einen geringen Querschnitt aufweist. Vorteilhaft ist bei dieser Ausführung auch, daß die Kühlluft im Bereich des höchsten Staudrucks entnommen wird. Ein Luftleitschacht 1 führt neben dem oder über einen Kühler schräg nach oben und wird bogenförmig auf das Wärmeabschirmblech 11 geleitet. Um ein Festsetzen der Schaltklappe 3 zu verhindern, ist diese bevorzugt im schräg nach oben führenden Luftleitschacht 1 anzuordnen.
Die in Fig. 5 dargestellte Version kann durch die mehrfache Umlenkung des Kühlluft­ stromes zu einer inhomogenen Ausbildung der Luftströmung führen. Fig. 6 verdeutlicht durch verschieden stake Pfeile, wie durch eine geeignete Schrägstellung der Schaltklap­ pe 3, rechte Darstellung, ein Teil der im vorkatnahen Bereich stärker ausgeprägten Kühlluftströmung, linke Darstellung, in den oberen Teil des Luftleitschachtes gelenkt werden kann und damit zu einer Homogenisierung der Anströmung beiträgt. Die Schräg­ stellung der Schaltklappe 3 kann in der aufgesteuerten Ruhestellung durch entsprechen­ de konstruktive Ausführung des maximalen Verstellweges dieser Klappe 3 sichergestellt werden. Denkbar ist aber auch, einen Anschlagpuffer vorzusehen, der fest oder verstell­ bar ausgeführt werden kann. Die Schrägstellung der Klappe 3 in Ruheposition kann dann abhängig von der Fahrgeschwindigkeit und/oder der Abgas- bzw. Katalysatorentempe­ raturen eingestellt werden.
Eine weitere Homogenisierung der Luftströmung bei der Abgaskühlung in der Version gemäß Fig. 1, 2, 3, 4 oder 5 ist möglich durch weitere stromauf oder stromab der Schalt­ klappe angeordnete feste oder verstellbare Luftleitbleche 22, wie beispielhaft in Fig. 6 dargestellt.

Claims (16)

1. Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine mit katalytischer Abgasreinigung über mindestens einen hinter einem Abgaskrümmer eingesetzten Katalysator, insbe­ sondere Vorkatalysator, vorzugsweise mit mindestens einem im Abgasstrom da­ hinter angeordneten Hauptkatalysator, insbesondere einem NOx-Speicherkatalysa­ tor, dadurch gekennzeichnet, daß im Kraftfahrzeug ein Luftleitschacht (1) angeord­ net ist, der in einem Bereich der Front des Kraftfahrzeuges eine Eintrittsöffnung (2) aufweist und dessen Ende auf den Abgaskrümmer (9) und/ oder einen Abgasküh­ ler gerichtet ist.
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ein­ trittsöffnung (2) eine steuerbare Schaltklappe (3, 4) eingesetzt ist.
3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Schaltklappe (3, 4) zwei Schaltzustände, auf und zu, aufweist oder stufenlos regel­ bar ausgebildet ist.
4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schaltzustand "auf" die Schaltklappe (3, 4) zumindest näherungsweise parallel zu der sie umge­ benden Luftströmung steht.
5. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Schaltklappe (4) als Luftumlenkvorrichtung ausgebildet ist und daß in einer von ei­ ner Durchflußstellung in den Luftleitschacht (1) abweichenden Stellung der Kühl­ luftstrom in Richtung auf einen Kühlwasser-Wärmetauscher (5) ausgerichtet ist.
6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (2) Luftleitbleche (6) aufweist und trichterförmig ausgebildet ist.
7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ein­ trittsöffnung (2) ein Gebläse in dem Luftleitschacht (1) angeordnet ist.
8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse vor der Schaltklappe (4) angeordnet ist.
9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse zwi­ schen der Schaltklappe (4) und einem Wärmeabschirmblech (11) angeordnet ist.
10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um den Abgas­ krümmer (9) ein Wärmeabschirmblech (11) angeordnet und der Luftleitschacht (1) daran fest oder lösbar angeschlossen ist.
11. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltklappe (3, 4) in einer Ruhestellung und in einer Default-Stellung aufgesteuert ist und Zuge­ steuert ist während des Aufheizens des zumindest einen Vor-Katalysators (7) und des zumindest einen Speicherkatalysators (8) nach einem Motorstart oder wenn eine Entschwefelung des zumindest einen Vor-Katalysators (7) oder des zumindest einen Speicherkatalysators (8) erforderlich ist oder wenn die Abgastemperatur nach dem zumindest ein Speicherkatalysator (8) geringer ist als der Taupunkt oder wenn die Kühlmitteltemperatur geringer ist als eine Minimumschwelle oder wenn die Abgastemperatur vor dem zumindest einen Vorkatalysator (7) kleiner ist als ei­ ne Minimumschwelle und die Abgastemperatur nach dem zumindest einen Vorka­ talysator (7) kleiner ist als eine Minimumschwelle und gleichzeitig die Temperatur des zumindest einen Speicherkatalysators (8) kleiner ist als eine Minimumschwelle oder wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit geringer ist als eine Minimumschwelle.
12. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltklappe (4) in eine Umlenkstellung gesteuert ist, wenn die Kühlmitteltemperatur größer ist als eine Maximumschwelle.
13. Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß unter Vollast und wenn die Kühlmitteltemperatur größer ist als eine Maximumschwelle, die Schalt­ klappe (4) umgesteuert ist und die Abgastemperatur vor oder hinter dem zumindest einen Vorkatalysator oder vor dem zumindest einen NOx-Speicherkatalysators größer ist als eine Maximumschwelle von einem Steuergerät (17) der Brennkraftma­ schine (19) eine Kraftstoffanreicherung des Verbrennungsgemisches eingeregelt ist.
14. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (2) im Bereich eines Kühlerschutzgitters (12) oberhalb eines Stoßfängers (15) und innerhalb oder unterhalb einer Motorhaube (14) angeordnet ist.
15. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (2) im Bereich eines Kühlerschutzgitters (12) innerhalb oder unterhalb des Stoß­ fängers angeordnet ist.
16. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltklappe (3, 4) im Schaltzustand "auf" zur besseren Luftverteilung im Luftleitschacht (1) winkelig zu der sie umgebenden Luftströmung steht.
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