-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere für
einen Kraftfahrzeugmotor.
-
Bei
dem Betrieb einer Brennkraftmaschine entsteht eine Reihe von Abgasen,
die abgeführt
und soweit wie möglich
gereinigt werden müssen.
Insbesondere bei dem Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung
werden bei Luftüberschuss Stickoxide,
NOx, gebildet. Zur Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Schadstoff-Grenzwerte
muss die an die Umgebung abgegebene Menge von Stickoxiden reduziert
werden. Dazu werden NOx-Speicherkatalysatoren, sogenannte DeNOx-Katalysatoren,
verwendet. Derartige DeNOx-Katalysatoren arbeiten allerdings lediglich
in einem bestimmten Temperaturbereich effizient. Die obere Grenztemperatur eines
herkömmlichen
DeNOx-Katalysators liegt bei ca. 700°C. Um im Volllastbetrieb des
Motors diese Grenztemperatur nicht zu überschreiten, wird gemäß dem Stand
der Technik eine zusätzliche
Kraftstoffmenge in den Motor eingespritzt. Dies bewirkt, dass die
Abgastemperatur auf eine Temperatur unterhalb der Grenztemperatur
des DeNOx-Katalysators absinkt, der dann effizient arbeiten kann.
-
Allerdings
führt der
unterstöchiometrische Betrieb
des Verbrennungsmotors zu einer unerwünschten Steigerung der Emissionen
anderer Schadstoffe und zu einem höheren Kraftstoffverbrauch.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage zu schaffen,
mit der die Effizienz eines in der Abgasanlage angeordneten Katalysators verbessert
werden kann.
-
Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
-
Die
erfindungsgemäße Abgasanlage
umfasst zumindest einen Abgaskrümmer,
der mit den Abgasauslässen
einer Brennkraftmaschine zu verbinden ist. An den Auslass des Krümmers schließt sich
eine Abgasführung
an, in der zumindest eine Abgasbehandlungseinrichtung, insbesondere
ein NOx-Speicherkatalysator, angeordnet ist. Weiterhin umfasst die
Abgasanlage einen Abgasauslass.
-
Die
erfindungsgemäße Abgasanlage
zeichnet sich dadurch aus, dass die Abgasführung zwischen Abgaskrümmer und
Abgasbehandlungseinrichtung mindestens zwei zueinander parallele
Teilabgasführungen
aufweist. Zumindest eine der Teilabgasführungen ist als luftspaltisoliertes
Abgasrohr ausgebildet. Weiterhin weist mindestens eine andere der
Teilabgasführungen
eine Abgaskühleinrichtung auf.
Dabei sind Mittel vorgesehen, durch welche einstellbar ist, dass
nur eine der beiden Teilabgasführungen
oder dass beide Teilabgasführungen
mit Abgas durchströmbar
sind.
-
Mit
anderen Worten spaltet sich die Abgasführung in zumindest zwei Teilabgasführungen
auf, wobei zumindest eine Teilabgasführung ein luftspaltisoliertes
Rohr aufweist und die zumindest eine andere Teilabgasführung eine
Abgaskühleinrichtung
umfasst. Durch Steuermittel kann die Menge des die einzelnen Teilabgasführungen
durchströmenden
Abgases variabel eingestellt werden.
-
Ein
bestimmter Anteil des Abgases wird somit durch die Abgaskühleinrichtung
gekühlt,
während der
andere Teil des Abgases im Wesentlichen ungekühlt die Abgasführung durchströmt. Die
beiden Anteile des Abgases werden vor der Abgasbehandlungseinrichtung
wieder zusammengeführt.
Durch die variable Aufteilung der gekühlten bzw. ungekühlten Anteile
des Abgases kann die Abgastemperatur in der Abgasbehandlungseinrichtung
geregelt werden. Der Abgasbehandlungseinrichtung kann daher Abgas
mit einer Temperatur innerhalb ihres Betriebstemperaturbereichs
zugeführt
werden.
-
Bei
kaltem Motor ist es beispielsweise vorteilhaft, das Abgas nicht
oder lediglich einen relativ geringen Teil des Abgasstromes zu kühlen, um
möglichst
schnell die Betriebstemperatur des Katalysators zu erreichen. Eine
Wärmeabgabe
des Abgases an die Umgebung ist in diesem Fall nicht erwünscht, weshalb
die ungekühlte
Teilabgasführung
zumindest abschnittsweise durch einen Luftspalt thermisch isoliert
ist.
-
Im
Volllastbetrieb des Motors ist es hingegen von Vorteil, einen relativ
großen
Teil des Abgasstroms – eventuell
auch den gesamten Abgasstrom – durch
die Abgaskühleinrichtung
zu kühlen,
um die Grenztemperatur der Abgasbehandlungseinrichtung nicht zu überschreiten.
Durch die Kühlung
des Abgasstromes wird der Drehzahlbereich des Motors ausgeweitet,
in welchem eine Abgaskühlung
durch die Einspritzung zusätzlichen
Kraftstoffs noch nicht erforderlich ist. Dadurch wird der Kraftstoffverbrauch reduziert
und das Emissionsverhalten des Motors verbessert.
-
Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und
den Zeichnungen angegeben.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der Abgasanlage ist eine lange Kühlstrecke
vorgesehen. "Lang" ist insbesondere
dahingehend zu verstehen, dass die Kühlstrecke unter Berücksichtigung
der baulichen Gegebenheiten und konstruktiver Vorgaben einen überwiegenden
Teil der Strecke zwischen den Abgasauslässen der Brennkraftmaschine
und der Abgasbehandlungseinrichtung umfasst. Dadurch wird die Effizienz
der Abgasanlage, insbesondere der Abgaskühlung, verbessert.
-
Die
Kühlung
erfolgt insbesondere durch ein Kühlmedium,
bevorzugt eine bei Kraftfahrzeugen im Motorkühlkreislauf verwendete Kühlwassermischung.
Mit Kühlwasser
kann aufgrund seiner hohen Wärmekapazität eine hohe
Effizienz der Kühlung
des durch die Abgaskühleinrichtung
strömenden
Abgases erreicht werden. Grundsätzlich
kann aber auch die Umgebungsluft zur Kühlung eingesetzt werden.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
kann vorgesehen sein, dass die Aufteilung der durchströmbaren Abgasstrommenge
zwischen der gekühlten
und der ungekühlten
Teilabgasführung
1:1 ist. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass durch die
gekühlte
und die ungekühlte
Teilabgasführung
die gleiche Menge von Abgas strömt.
Die Abgasführungskapazität der gekühlten und
der ungekühlten
Teilabgasführung
ist also im Wesentlichen gleich groß. Neben einer guten Kühlung kann
dadurch der Abgasgegendruck gering gehalten werden.
-
Eine
weitere erfindungsgemäße Abgasanlage
umfasst zumindest einen Abgaskrümmer,
der mit den Abgasauslässen
einer Brennkraftmaschine zu verbinden ist. An den Auslass des Krümmers schließt sich
eine Abgasführung
an, in der zumindest eine Abgasbehandlungseinrichtung, insbesondere
ein NOx-Speicherkatalysator, angeordnet ist. Weiterhin umfasst die
Abgasanlage einen Abgasauslass. Die Abgasführung der Abgasanlage ist mindestens
abschnittsweise luftspaltisoliert. Der Luftspalt ist zumindest zeitweise
mit einem Kühlmedium,
insbesondere Wasser, oder Abgas durchströmbar.
-
Eine
derartig ausgestaltete Abgasanlage ermöglicht ebenfalls eine Abgastemperaturbeeinflussung.
Diese wird durch Steuerung der Menge des den Luftspalt durchströmenden Mediums
erreicht.
-
Die
Abgasanlage kann eine Steuerung umfassen, durch welche die Kühlung und/oder
die Abgasführung
durch den Luftspalt in Abhängigkeit
von Abgasparametern und/oder von Motordaten, insbesondere der Motordrehzahl,
steuerbar ist. Mit anderen Worten kann die Temperatur des Abgases
aktiv beeinflusst werden, wobei unterschiedliche Parameter berücksichtigt
werden können.
Die Verwendung von Abgasparametern, wie beispielsweise Druck, Temperatur
und Sauerstoffkonzentration, und/oder Motorparametern, insbesondere
der Motordrehzahl ermöglicht
eine besonders effiziente und einfache Steuerung.
-
Die
durch die gekühlte
Teilabgasführung strömende Abgasmenge
kann zuverlässig
durch eine Abgasklappe gesteuert werden, wobei die Abgasklappe insbesondere über eine
Unterdruckdose betätigbar
ist.
-
Bevorzugt
ist die gekühlte
Teilabgasführung nach
einem motornahen Katalysator angeordnet. Dies stellt sicher, dass
der motornahe Katalysator mit der erforderlichen hohen Temperatur
beaufschlagt wird.
-
Aufgrund
der zusätzlichen
Abgasführung kann
bei einer erfindungsgemäßen Abgasanlage eventuell
auf einen Mittelschalldämpfer
verzichtet werden.
-
Zumindest
ein Teil der Abgasführung
kann Dehnungsausgleichselemente aufweisen. Die Dehnungsausgleichselemente
können
unterschiedliche thermische Ausdehnungen der einzelnen Bauteile der
Abgasanlage aufnehmen und somit mechanische Spannungen reduzieren.
Dies ist von besonderer Bedeutung, da die Teilabgasführungen
aufgrund der Kühlung
deutliche Temperaturunterschiede aufweisen.
-
Gemäß einer
speziellen Ausgestaltung der Abgasanlage weist die nicht gekühlte Abgasführung zwischen
Abgaskrümmer
und Abgasbehandlungseinrichtung zwei luftspaltisolierte Abgasrohre
auf. Die gekühlte
Abgasführung
wird durch ein oder zwei zuschaltbare mediengekühlte Rohre gebildet. Diese Ausführungsform
erweist sich als besonders effizient.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden rein beispielhaft anhand vorteilhafter
Ausführungsformen und
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasanlage.
-
2 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasanlage.
-
1 zeigt
eine Abgasführung 10 einer
erfindungsgemäßen Abgasanlage,
die zwei Teilabgasführungen 16, 18 zwischen
einem Abgaskrümmmer (nicht
gezeigt) und einem DeNox-Katalysator 28 aufweist. Die Teilabgasführungen 16, 18 umfassen
jeweils zwei parallele Abgasstrange, die im Wesentlichen die gleichen
funktionellen Merkmale aufweisen. Die Abgasführung 10 wird im Folgenden
daher lediglich anhand eines Abgasstrangs beschrieben.
-
Am
stromaufwärtigen
Ende eines Strangs der dargestellten Abgasführung 10 weist diese
einen Flansch 12 auf, mit dem eine Verbindung zu einem Krümmer (nicht
gezeigt) hergestellt werden kann. An dem Flansch 12 ist
eine Y-förmige
Rohrverzweigung 14 befestigt. Von der Rohrverzweigung 14 führt ein Rohr
zu der ungekühlten
Teilabgasführung 16,
während
das andere Rohr zu der gekühlten
Teilabgasführung 18 führt.
-
Die
ungekühlte
Teilabgasführung 16 weist ein
luftspaltisoliertes Abgasrohr 20 auf, das heißt ein Innenrohr
und ein Außenrohr,
die durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind. Zwischen dem Abgasrohr 20 und
der Rohrverzweigung 14 ist ein Vorrohr 22 angeordnet,
welches ebenfalls luftspaltisoliert sein kann. Zwischen dem Vorrohr 22 und
dem Abgasrohr 20 ist ein Schlauchgelenk 24 vorgesehen. Das
Schlauchgelenk 24 verleiht der Teilabgasführung 16 die
notwendige Beweglichkeit, um Vibrationen oder unterschiedliche Ausdehnungen
der Komponenten der Abgasanlage aufnehmen zu können.
-
Das
stromabwärtige
Ende des Abgasrohrs 20 steht mit einem Sammelabschnitt 26 in
Verbindung. Der Sammelabschnitt 26 führt die durch die ungekühlte Teilabgasführung 16 strömende Abgasmenge
mit der durch die gekühlte
Teilabgasführung 18 strömenden Abgasmenge
zusammen und führt
sie dem DeNOx-Katalysator 28 zu. Der DeNOx-Katalysator 28 ist
ein NOx-Speicherkatalysator, der die in dem Verbrennungsmotor entstehenden
Stickoxide abbaut, damit die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte
eingehalten werden können.
An den DeNOx-Katalysator 28 schließt sich ein Abgasrohr 30 an,
welches die Abgase den weiteren Komponenten der Abgasanlage eines
Fahrzeugs zuführt
(nicht gezeigt).
-
Die
gekühlte
Teilabgasführung 18 ist
an ihrem stromaufwärtigen
Ende mit der Rohrverzweigung 14 verbunden. Der stromaufwärtige Teil
der gekühlten
Teilabgasführung 18 wird
durch ein Vorrohr 22' gebildet.
An das Vorrohr 22' schließt sich
eine Abgasklappe 32 an, die über eine hier nicht dargestellte Unterdruckdose
betätigt
wird. Im weiteren Verlauf der gekühlten Teilabgasführung 18 ist
eine Abgaskühleinrichtung 34 angeordnet.
Die Abgaskühleinrichtung 34 umfasst
ein doppelwandiges Rohr mit einem Innenrohr und einem Außenrohr.
Der Zwischenraum zwischen den beiden Rohren der Abgaskühleinrichtung 34 wird
zur Durchleitung eines Kühlmittels
genutzt. Die Abgaskühleinrichtung 34 umfasst
Kühlmittelstutzen 36,
die der Zu-/Abfuhr des Kühlmittels
dienen. Weiterhin umfasst die Abgaskühleinrichtung 34 Dehnungsausgleichskörper 38.
Die Dehnungsausgleichskörper 38 nehmen
Verformungen durch unterschiedliche Temperaturausdehnungen der einzelnen Komponenten
der gekühlten
Teilabgasführung 18 auf.
Das stromabwärtige
Ende der Abgaskühleinrichtung 34 steht
mit dem Sammelabschnitt 26 in Verbindung, wie vorstehend
bereits ausgeführt
wurde.
-
Im
Bereich des Sammelabschnitts 26 sind sogenannte Temperaturstutzen 40 vorgesehen.
Diese sind im Übergangsbereich
zu den Rohren der ungekühlten
Teilabgasführung 16 und
den Rohren der gekühlten
Teilabgasführung 18 sowie
im Übergangsbereich
zu dem DeNOx-Katalysator 28 angeordnet. Ein Temperaturstutzen 40 ist
ebenfalls in Abgasstromrichtung hinter dem DeNOx-Katalysator 28 vorgesehen.
Die Temperaturstutzen dienen der Aufnahme von Temperaturfühlern (nicht
gezeigt).
-
Im
Folgenden wird die Funktionsweise der Abgasführung 10 beschrieben.
-
Wie
vorstehend ausgeführt,
sollen dem DeNOx-Katalysator 28 in möglichst allen Betriebszuständen des
Verbrennungsmotors Abgase mit einer Temperatur zugeführt werden,
bei welcher der Katalysator 28 effizient arbeitet. Zum
einen muss eine minimale Betriebstemperatur des Katalysators 28 erreicht
werden, damit der Abbau der Schadstoffe effizient stattfindet. Zum
anderen darf eine obere Grenztemperatur nicht überschritten werden, da sonst
der Katalysator 28 ebenfalls nur ineffizient arbeiten würde und
beschädigt
werden könnte.
-
Herkömmlicherweise
sind Abgasanlagen lediglich mit ungekühlten Abgasführungen
versehen. Die erfindungsgemäße Abgasführung 10 weist
dahingegen die als Bypass wirkende gekühlte Teilabgasführung 18 auf.
Die Menge, die der gekühlten
Teilabgasführung 18 zugeführt wird,
wird durch die Abgasklappen 32 geregelt. Mit anderen Worten
wird ein Teil des Abgases gekühlt,
während
der andere Teil des Abgases ungekühlt bleibt. Durch die Wahl
des geeigneten Mischungsverhältnisses
kann dem Katalysator 28 somit Abgas mit geeigneter Temperatur
zugeführt
werden. Die Einstellung des Mischungsverhältnisses erfolgt durch die
Abgasklappen 32.
-
Damit
die Abgasklappen 32 in korrekter Weise angesteuert werden
können,
ist die erfindungsgemäße Abgasführung 10 mit
nicht gezeigten Temperatursensoren ausgestattet, die in den Temperaturstutzen 40 angeordnet
sind. Dadurch werden die Temperaturen der gekühlten und der ungekühlten Abgase sowie
die Temperatur des Abgasstroms kurz vor Eintritt in den Katalysator 28 bestimmt.
Diese Messgrößen werden
ausgewertet und ermöglichen
die Steuerung der Abgasklappen 32.
-
Die
Abgaskühleinrichtung 34 kann
auf verschiedene Art verwirklicht werden. Es kann zum Beispiel ein
normales Rohr vorgesehen sein, welches nicht isoliert ist. Zusätzlich können auch
Kühlrippen vorgesehen
sein, um die Wärmeabgabe
an die Umgebung zu verbessern. Bevorzugt ist es aber, ein doppelwandiges
Rohr vorzusehen, durch das ein Kühlmittel
hindurchgeleitet wird.
-
Bei
Betrieb des Fahrzeugs wird die Temperatur der einzelnen Abgasströme überwacht
und die Abgasmenge durch die einzelnen Teilabgasführungen 16, 18 wie
vorstehend beschrieben geregelt. Bei kaltem Motor und/oder niedrigen
Drehzahlen des Motors werden die Abgase insbesondere überhaupt nicht
gekühlt,
also nur durch die Teilabgasführung 16 geleitet,
damit der Katalysator 28 möglichst schnell seine optimale
Betriebstemperatur erreicht. Bei hohen Drehzahlen ist es hingegen
vorteilhaft, einen relativ großen
Teil des Abgases zu kühlen,
um den Katalysator 28 nicht zu überhitzen. Hierfür wird ein
Teil, insbesondere die Hälfte
des Abgases, durch die gekühlte
Abgasführung 18 geleitet.
Dies zeitigt überdies den
vorteilhaften Effekt, dass der Gegendruck der Abgasanlage gesenkt
wird.
-
Wie
der Zeichnung zu entnehmen ist, weist die in 1 dargestellte
Ausführungsform
zwei parallele Stränge
auf, die jeweils eine ungekühlte
und eine gekühlte
Teilabgasführung 16 bzw. 18 umfassen.
Dabei ist es bevorzugt, die Teilabgasführungen 16, 18 derart
zu dimensionieren, dass durch die beiden Teilabgasführungen 16, 18 jeweils
die im Wesentlichen gleiche Abgasmenge geleitet werden kann.
-
Die
Abgaskühleinrichtung 34 sollte
eine lange Kühlstrecke
aufweisen, um die Kühlung
möglichst effizient
zu gestalten. Je leistungsfähiger
die Abgaskühleinrichtung 34 ist,
desto höhere
Abgaseingangstemperaturen können
kompensiert werden. Damit kann die Abgasführung 10 der erfindungsgemäßen Abgasanlage
auch in hohen Drehzahlbereichen des Motors einen effizienten Betrieb
des Katalysators 28 sicher stellen, ohne dass zusätzliche
Kraftstoffmengen eingespritzt werden müssen, um das Abgas zu kühlen.
-
Je
nach Ausgestaltung des vorhandenen Bauraums und der Leistungsanforderungen
an die Abgasanlage 10 können
mehrere Strange oder auch nur ein Strang vorgesehen sein. 2 zeigt
eine Ausführungsform
der Abgasführung 10,
deren ungekühlte
Teilabgasführung 16 zwei
parallele Strange aufweist, während
die gekühlte
Teilabgasführung 18 lediglich
eine Abgaskühleinrichtung 34 umfasst,
deren Querschnitt aber bevorzugt dem Gesamtquerschnitt der beiden
Strange der ungekühlten
Teilabgasführung
entspricht. Im Übrigen
stimmt die Variante von 2 mit derjenigen von 1 überein,
so dass die entsprechenden Ausführungen
zu 1 auch für 2 gelten.
-
Eine
andere Möglichkeit
zur Steuerung der Abgastemperatur besteht darin, eine Abgasanlage mit
einem doppelwandigen Rohr vorzusehen. In diesem Fall weist die Abgasführung keinen
Bypass auf. Bei hohen Abgaseingangstemperaturen wird der Zwischenraum
des doppelwandigen Rohres von Kühlmittel
durchströmt
und damit die Abgastemperatur abgesenkt. Bei niedrigen Abgaseingangstemperaturen
wird auf das Durchströmen
des Kühlmittels verzichtet.
-
Es
kann aber auch vorgesehen sein, den Luftspalt der Abgasrohre 20 zeitweise
mit Abgas zu durchströmen.
Bei niedrigen Abgaseingangstemperaturen würde das Abgas nur durch das
Innenrohr geleitet werden, so dass eine schnelle Erwärmung des
Katalysators 28 sichergestellt ist. Ein Wärmeverlust
wird durch die Isolierungswirkung des Luftspalts minimiert.
-
Bei
hohen Drehzahlen wird das Abgas auch durch den Luftspalt geführt, was
einerseits den effektiven Rohrquerschnitt erhöht und damit den Gegendruck
erniedrigt und die Leistung steigert. Andererseits führt die
geschilderte Vorgehensweise zu einer Abkühlung der Abgase bei hohen
Ab gastemperaturen, da die Isolierungswirkung des Luftspalts wegfällt. Im
Prinzip handelt es sich auch hier um eine Bypass-Lösung, wobei
die Kühlung
noch durch das Vorsehen von Kühlrippen
oder ähnlichem
am äußeren Rohr
verstärkt
werden kann.
-
Zusätzlich kann
ein drittes Rohr vorgesehen sein, so dass zwei Zwischenräume entstehen,
von denen einer zeitweise mit Abgas und der andere zeitweise oder
auch permanent mit Kühlmittel
durchströmbar
ist.
-
Grundsätzlich kann
eine solche zeitweilige Kühlung
auch mit dem anhand von 1 und 2 erklärten Konzept
kombiniert werden. In diesem Fall könnte beispielsweise der Luftspalt
der Abgasrohre 20 zusätzlich
zu den Abgaskühleinrichtungen 34 bedarfsweise
von einem Kühlmittel
durchströmt
werden, um die Gesamtkühlleistung
der Abgasführung 10 zu
erhöhen.
-
Die
Steuerung der verschiedenen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Abgasanlage kann
derart ausgelegt sein, dass neben den Abgasparametern, wie etwa
Druck, Temperatur und Sauerstoffkonzentration, und den Motordaten,
wie etwa Motordrehzahl, auch die Umgebungstemperatur oder ähnliche
Daten berücksichtigen
werden.
-
- 10
- Abgasführung
- 12
- Flansch
- 14
- Rohrverzweigung
- 16
- ungekühlte Teilabgasführung
- 18
- gekühlte Teilabgasführung
- 20
- luftspaltisoliertes
Abgasrohr
- 22,
22'
- Vorrohr
- 24
- Schlauchgelenk
- 26
- Sammelabschnitt
- 28
- DeNOx-Katalysator
- 30
- Abgasrohr
- 32
- Abgasklappe
- 34
- Abgaskühleinrichtung
- 36
- Kühlmittelstutzen
- 38
- Dehnungsausgleichskörper
- 40
- Temperaturstutzen