DE2060020A1

DE2060020A1 - Vorrichtung zur Reaktion der Abgase einer Fahrzeugbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2060020A1
Application number: DE19702060020
Authority: DE
Inventors: Erwin Prof Dr-Ing Eisele; Friedrich Haegele; Hermann Dipl-Ing Hiereth; Guenter Reifenstein; Hans-Dieter Dipl-Ing Schuster
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1970-12-05
Filing date: 1970-12-05
Publication date: 1972-06-15

Description

Vorrichtung zur Reaktion der Abgase einer Fahrzeugbrennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Reaktionskammern ausgestattete und im By-Pass angeordnete Vorrichtung zur katalytischen oder thermischen Reaktion der Abgase einer Fahrseugbrennkraftmaschine, wobei der By-Pass von einem Iiauptabgassammelraum ausgeht und in eine sich an diesen anschließende, am Ende mit einem Schalldämpfer versehene Ilauptabgasleitung wieder einmündet, in welcher vor dieser Einmündung eine Steuervorrichtung angeordnet ist.
Bei einer bisher üblichen Schaltung im By-Pass wird die Vorrichtung zur Reaktion der Abgase in den Betriebspunkten der Brennkraftmaschine mit besonders hohem Schadstoffanteil, wie,bei Teillast- oder Leerlaufbetrieb bzw. bei niedriger Drehzahl mit der gesamten Abgasmenge und in den Alternativbetriebspunkten überhaupt nicht mit Abgas beaufschlagt. So kann aufgrund der geringen Durchsatzmenge die Baugröße zwar klein gehalten, aber andererseits die erforderliche Arbeitstemperatur der Vorrichtung über den ganzen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine nicht beibehalten werden. Bei der herkönunlichen Anordnung der Steuervorrichtung in der Nähe der Vorrichtung zur Reaktion war ein einwandfreies Funktionie rein der Steuervorrichtung infolge hoher Temperaturen nicht immer gewährleistet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile vermeidend, eine kompakte und zuverlässig arbeitende Vorrichtung zur Reaktion zu schaffen. Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reaktionskammern alle zum Ilauptabgassamme lraum führenden Abgaskrümmer umschließen und von den reagierenden Abgasen im wesentlichen im Gegenstrom zu den innerhalb der Abgaskrunmer strömenden Abgasen durchströmt werden und daß die Steuervorrichtung möglichst kurz vor der Einmündung des Dy-Passes in die lIauptabgasleitung in dieser angeordnet ist, wobei diese Einmündung möglichst nahe am Schalldämpfer liegt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird durch die Steuerung auf der kalten Abgasseite auch bei Betriebspunkten, bei denen eine Abgasreinigung nicht unbedingt erforderlich ist, wie beispielsweise bei Vollast, teilweise mit Abs bea,jfschlagt und somit ihre Arbeitstemperatur aufrechterhalten.
Es fallen die seither notwendigen Anwärmzeiten beim Umschalten von der Ilauptabgasleitung auf die Vorrichtung zur Reaktion fort. handelt es sich um eine katalytische Vorrichtung, kann durch die ständig hohen Temperaturen ihre Sctiv-Oberfläche regeneriert werden.
Durch die Anordnung der Reaktionskammern im Gegenstrom zu der Strömung in den Abgaskrümmern ist ebenfalls eine ständige Aufheizung möglich. Außerdem wird dadurch eine günstige Baugröße erreicht, und die Vorrichtung kann möglichst nahe am Zylinderkopf im Bereich höchster Abgastemperaturen liegen, was vorteilhaft zu ihrer besseren Funktion beiträgt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Steuervorrichtung aus einer elektromechanisch, elektromagnetisch bzw. elektrohydraulisch gesteuerten Klappe bestehen.
Als Regelgrößen zum Bewegen der Klappe können crfindungsgemäß die Elotordrellzahl und der Saugrohrunterdruck bzw. bei elektronischer Einspritzung die Einspritzzeiten herangezogen werden.
Zur Reinigung des gesamten Abgasvolumens ist die Klappe geschlossen, und das Abgas wird in die Vorrichtung zur Reaktion geleitet. Vom anschließenden By-Pass-Abgassammelrawm gelangt das gereinigte Abgas hinter der Steuervorrichtung wieder in die Hauptabgasleitung. Bei geöffneter Klappe strömt das Abgas aufgrund der unterschiedlichen Strömungswiderstände nur zu einem geringen Teil durch die Vorrichtung zur Reaktion und hält diese somit auf der erforderlichen Arbeitstemperatur.
Der größte Teil des Abgasvolumens strömt bei geöffneter Klappe durch die Ilauptabgasleitung zum Schalldämpfer. Da die Klappe an dieser Stelle nur geringen Abgastemperaturen ausgesetzt i ist, ist ihre Gängigkeit stets gewährleistet. Die Klappe kann gegebenenfalls auch kontinuierlich einstellbar ausgebildet sein.
Bei durch Störung der Verbrennung in der Brennkraftmaschine oder bei Zündaussetzern eventuell in den Reaktionskammern auftretenden hohen Temperaturen kann nach einem weitcren Merkmal der Erfindung die Steuervorrichtung durch eine thermischt Sicherung geöffnet werden. Auf diese Weise werden Schäden vorteilhaft vermieden.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsge dankens kann bei Eintritt der Abgase aus dem IIauptabgassanunelraumin die erste Reaktionskammer eine starke Strömungsumlenkung um etwa 1800 bis 2700 zum teilweisen Ausseparieren von Festkörperschadstoffen in die IIauptabgasleitung erfolgen. Diese Festkörperschadstoffe gelangen durch die Ablenkung der Abgase infolge ihrer trägen lasse nicht in die Vorrichtung zur Reaktion, sondern werden in der durch die Klappe abgesperrten Hauptabgasleitung gesanunelt. Auf diese Weise wird vorteilhaft vermieden, daß beispielsweise beim Starten die Pestkörperachadstoffe ungereinigt ins Freie gelangen, wenn die zu ihrer Oxydation erforderliche Temperatur in der VorrichttUlg zur Reaktion noch nicht erreicht ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung wird darin gesehen, daß vorzugsweise mehrere, beispielsweise drei Reaktionskammern mit rechteckigem Querschnitt hintereinander angeordnet sind, die miteinander und mit dem Hauptabgassammelraum bzw. mit einem By-Pass-Abgassammelraum durch gegeneinander versetzte Durchlaßgebiete in den Zwischenwänden verbunden sind, wobei Durchlässe jeweils im Bereich eines Randes einer Zwischenwand und bei der darauffolgenden Zwischenwand an ilirem gegenüber liegenden Rand vorgesehen sind.
Aus baulichen und thermischen Gründen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß beim Überströmen der Abgase zwischen den Reaktionskammern eine starke Strömungsumlenkung bis etwa 1800 erfolgt.
Ferner können die aus der letzten Reaktionskammer ausströmenden Abgase arfindungsgemäß in den By-Pass-Abgassammelraum mit vorzugsweise trapezförmigem Querschnitt münden, von wo sie titer die By-J>ass-Abgasleitung zurück zur IIauptabgasleitung geführt werden.
Es wird weiterhin von der Erfindung vorgeschlagen, daß die Reaktionskammern als Zwei-Bett-Ausführung oder auch Dual-Compartmont-Ausführung ausgebildet sind, wobei die erste der Reaktionskammern das erste Bett und die zweite und dritte Reaktionskammer das zweite Bett bilden.
Eine andere gleichwertige Ausführung schlägt gemäß der Er- @ findung vor, daß die erste und die zweite Reaktionskammer das erste Bett einer Zwei-Bett-Ausführung und die dritte Reaktionskammer das zweite Bett bilden.
hierbei kann erfindungsgemäß das erste Bett bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit sauerstoffarmem Gemisch vornehmlich zur Reduktion der im Abgas vorhandenen Stickoxide und das zweite Bett vornehmlich zur Oxydation von Kohlenmonoxid und von Kohlenwasserstoffen dicnen, wobei zwischen die beiden Betten, beispielsweise in die zweite Reaktionskammer Luft eingeblasen wird.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung wird darin gesehen, daß der Hauptabgassammelraum, die Iteaktionskammern und der By-Pass-Abgassammelraum von einem in bekannter Weise wärmeisolierten gemeinsamen Gehäuse umschlossen sind.
Zur katalytischen Reaktion können die Reaktionskammern mit katalytisch getränktem Granulat gefüllt sein.
Wie der Erfindungsgedanke im einzelnen verwirklicht werden kann, geht aus dem Ausführungsbeispiel hervor, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Die Figur zeigt einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Reaktion der Abgase einer Fahrzeugbrennkraftmaschine.
Nach der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Reaktion in einem kastenförmigen Gehäuse 1 untergebracht, welches zum Zwecke der Wärmeisolierung doppelwandig mit einer zwischen den Wänden 2 eingebauten Isolationsschicht 3 ausgebildet ist.
Das Gehäuse 1 umschließt einen im Querschnitt dreieckförmigen Ilauptabgassammelraum 4, in welchen alle Abgaskrümmer 5 einmünden, drei im Quersclmitt im wesentlichen rechteckförmige Reaktionskammern 6 und einen By-Pass-Abgassammelraum 7, dessen Querschnitt Trapezform aufweist. Vom lIauptabgassanmielraum 4 führt eine Ilauptabgasleitung 8 zu einem nicht dargestellten Schalldämpfer. Der Hauptstrom der Abgase führt aus den Abgaskrüniniern 5, durch den lIauptabgassammelraum 4 und durch die IIauptabgasleitung 8 zum Schalldämpfer.
Im By-Pass zu dieser Anordnung liegen die Reaktionskammern 6 und eine vom By-i'ass-Abgassammelraum 7 ausgehende By-Pass-Abgasleitung 9.
Die Reaktionskammern 6 sind durch gegeneinander versetzte DurcI1laßgebiete in ihren Zwischenwänden miteinander und mit dem Hauptabgassammelraum 4 bzw. mit dem Dy-Pass-Abgassammelraum 7 verbunden, wobei Durchlässe 10 jeweils im Bereich eines Randes 11 einer Zwischenwand und bei der darauffolgenden Zwischenwand an ihrem gegenüberliegenden stand 12 angeordnet sind usw.
Auf diese Weise wird das von den Abgaskrümmern 5 in die erste der Reaktionskammern 6 eintretende Abgas um etwa 7"0 umgelenkt, was zum Ausseparieren von Festkörperschadstoffen in die Hauptabgasleitung 8 führt. Bei Übertritt des Abgases von einer in die jeweils nächste der Reaktionskaniinern 6 und weiter in den By-Pass-Abgassammelraum 7 erfolgt je eine Umlenkung um etwa 1800, was zu einer besonders raumsparenden Bauweise beiträgt.
Die By-I>ass-Abgasleitung 9 mündet in der Nähe des Schalldämpfers wieder in die Hauptabgasleitung 8 ein. Möglichst kurz vor dieser Einmündung ist in der Ilauptabgasleitung 8 eine als Klappe ausgebildete Steuervorrichtung 13 angeordnet.

Claims

Ansprüche

1. )Mit Reaktionskammern ausgestattete und im By-Pass angeordnete Vorrichtung zur katalytischen oder thermischen Reaktion der Abgase einer Fahrzeugbrennkraftmaschine, wobei der By-Pass von einem Hauptabgassammelraum ausgeht und in eine sich an diesen anschließende, am Ende mit einem Schalldämpfer versehene Hauptabgasleitung wieder einmündet, in welcher vor dieser Einmtindung eine Steuervorrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammern (6) alle zum Hauptabgassammelraum (4) führenden Abgaskrümmer (5) umschließen und von den reagierenden Abgasen im wesentlichen im Gegenstrom zu den innerhalb der Abgaskrümmer (5) strömenden Abgasen durch strömt werden und daß die Steuervorrichtung (13) möglichst kurz vor der Einmündung des By-Passes in die Hauptabgasleitung (8) in dieser angeordnet ist, wobei diese Einmündung möglichst nahe am Schalldämpfer liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (13) aus einer elektromechanisch, elektromagnetisch bzw. elektrohydraulisch gesteuerten Klappe besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgrößen zum Bewegen der Klappe die vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine ablllingigen Regelgrößen Motordrehzahl und Sangrohrunterdruck bzw. bei elektroniscller Einspritzung die Einspritzzeiten herangezogen werden.

ts. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei durch Störung der Verbrennung in der Brennkraftmaschine oder bei Zündaussetzern eventuell in den Reaktion kammern (6) auftretenden hohen Temperaturen die Steuervorrichtung (13) durch eine thermische Sicherung geöffnet wird

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Eintritt der Abgase aus dem Hauptabgassammelraum (4) in die erste Reaktionskammer (6) eine starke Strömungsumlenkung um etwa 1800 bis 2700 zum teilweisen Ausseparieren von Festkörperschadstoffen in die ilauptabgasleitung (8) erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise mehrere, beispielsweise drei Reaktionskammern (6) mit rechteckigem Querschnitt hintereinander angeordnet sind, die miteinander und mit dem Hauptabgassammelraum (4) bzw. mit einem By-Pass-Abgassammelraum (7) durch gegeneinander versetzte Durchlaßgetriebe in den Zwischen wänden verbunden sind, wobei Durchlässe (10) jeweils im Bereich eines Randes (ii) einer Zwischenwand und bei der darauffolgenden Zwischenwand an ihrem gegenüberliegenden Rand (12) vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überströmen der Abgase zwischen den Reaktionskammern (6) eine starke Strömungsumlenkung bis etwa 1800 erfolgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der letzten Reaktionskammer (6) ausströmenden Abgase in den By-Paes-Abgassammelraum (7) mit vorzugsweise trapezförmigem Querschnitt münden, von wo sie über die By-Pass-Abgasleitung (9) zurück zur Hauptabgasleitung (8) geführt werden.

9e Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammern (6) als Zwei-Bett-Ausführung oder auch Dual-Compartment-Ausführung ausgebildet sind, wobei die erste der Reaktionskanrnern (6) das erste Bett und die zweite und dritte Reaktionskaiiner (6) das zweite Bett bilden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Reaktionskammer (6) das erste Bett einer Zwei-Bett-Ausführung und die dritte Reaktionskammer (6) das zweite Bett bilden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bett bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit sauerstoffarmem Gemisch vornehmlich zur Reduktion der im Abgas vorhandenen Stickoxide und das zweite Bett vornehmlich zur Oxydation von Kohlenmonoxid und von Kohlenwasserstoffen dienen, wobei zwischen die beiden Betten, beispielsweise in die zweite Reaktionskammer (6) Luft eingeblasen wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Iiauptabgassammelraum (4), die Reaktionskammern (6) und der By-Pass-Abgassaiiinelraum (7) von einem in bekannter Weise wärmeisolierten gemeinsamen Gehäuse (i) umschlossen sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur katalytischen Reaktion die Reaktionskamern (6) mit katalytisch getränktem Granulat gefüllt sind.

L e e r s e i t e