DE29507565U1

DE29507565U1 - Anordnung zur Reduzierung der Abgasemissionen von Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysatoren

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Publication number: DE29507565U1
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Priority date: 1995-03-07
Filing date: 1995-03-07
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2005-03-08

Description

Beschreibung:

Die Neuerung betrifft eine Anordnung zur Reduzierung der Abgasemiss ionen von Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, mit Abgaskatalysatoren, mit einer an die Abgasauslässe eines Verbrennungsmotors anschließbaren Abgasleitung und einem aus der Abgasleitung beaufschlagbaren Katalysator

Für die Einhaltung der heute gültigen Emissionsvorschriften nach der amerikanischen Testvorschrift FTP genügt die Einhaltung der Emissionsklassen TLEV und LEV {Transitional Low Emission Vehicles bzw. Low Emission Vehicles). Hierfür reicht es aus, z. B. einen Ottomotor mit einer gut funktionierenden Luftmeßeinrichtung und einer präzisen Kraftstoffeinspritzung im Zusammenhang mit einem Abgaskatalysator zu betreiben. Die Abgasvorschriften werden jedoch ständig verschärft, so daß für die Einhaltung künftiger Vorschriften, beispielsweise die Emissionsklassen ULEV und NZEV (Ultra Low Emission Vehicles bzw. Near Zero Emission Vehicles) weitere Verbesserungen erforderlich sind. Das Gleiche gilt für die Europäische Norm EG III.

Dem Stand der Technik entsprechend werden für die Einhaltung dieser Vorschriften die Motoren weiter verbessert und die Abgaskatalysatoren mit elektrischer Beheizung beim Kaltstart ausgestattet, sowie mit einem wärmeisolierten Abgasrohr zwischen Motor und Katalysator, weil die Möglichkeiten zur Verbesserung der Abgaswerte vor allem in der Reduzierung der hohen Abgasemissionen beim Kaltstart zu suchen sind, die darauf beruhen, daß der Katalysator noch nicht die für seine Funktion erforderliche Betriebstemperatur erreicht hat. Katalysatorheizungen mittels Kraftstoffbrennern sind ebenso in der Diskussion wie HC-Fallen, die bei kaltem Motor die Kohlenwasserstoffe auffangen und zwischenlagern, bis Motor und Katalysator betriebsbereit sind. Dem elektrisch beheizten

Katalysator werden jedoch die größten Chancen für die Zukunft eingeräumt.

Die Probleme des elektrisch beheizten Katalysators und anderer Maßnahmen werden durch die grundlegenden Eigenschaften von Verbrennungsmotoren und Abgaskatalysatoren verursacht. Alle Verbrennungsmotoren emittieren beim Kaltstart, bis sie den betriebswarmen Zustand erreicht haben, große Mengen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxyden, weil die Verbrennung sehr schlecht ist. Außerdem wird dem Motor zum Zwecke der Start- und Warmlauffähigkeit ein Überangebot an Kraftstoff zugeführt. Dies verursacht einen Konflikt mit den heute gebräuchlichen 3-Wege-Katalysatoren - so genannt, weil sie für die Konvertierung der drei Schadstoffe HC, CO und NO_x ausgelegt sind - die nur dann voll wirksam sind, wenn ein stöchiometrisches Kraftstoff/Luft-Verhältnis existiert. Einerseits können HC und CO nur dann vollkommen verbrennen, wenn genügend Luftsauerstoff vorhanden ist, andererseits nimmt die NO_x-Bildung stark zu, wenn Überschuß an O₂ herrscht. Die 0 KraftstoffÜberfettung verschärft außerdem die Bildung von HC- und CO-Spitzen, die infolge von transienten Gemischänderungen bei der Getriebeschaltung bzw. bei den damit verbundenen DrehzahlSprüngen des Motors entstehen. Die Kraftstoffanfettung erhöht außerdem den Kraftstoffverbrauch insbesondere im Nahverkehr. Gleichzeitig sind die Katalysatoren beim Kaltstart kalt und deshalb nicht wirksam.

Der FTP-Test besteht aus drei Abschnitten oder bags, nämlich bag 1: Kaltstart und Warmlauf, 0 - bag 2: Betrieb im warmen Zustand von Motor und Kata

lysator und

bag 3: Wiederstart des Motors 10 min nach Beendigung von bag 2. Hierbei ist der Katalysator stark und der Motor nur mäßig abgekühlt. 35

Bag 1 beginnt mit dem Kaltstart des Motors, der von einem 20 s dauernden Leerlauf gefolgt wird, worauf der Motor das

Fahrzeug beschleunigt und dabei eine sehr hohe HC- und CO-Emissionsspitze erzeugt. Weitere solche Emissionsspitzen folgen jeweils durch Beschleunigungen und Schaltvorgänge zwischen Motor und Getriebe.
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Während der ersten 20 s des Leerlaufs sind die Emissionen nicht bedeutsam. Deshalb wird diese Zeit genutzt, um den Katalysator z. B. elektrisch zu beheizen, so daß die katalytischen Wirkungsflächen bereits ihre ausreichende Wirkungstemperatur von ca. 300 - 400 ⁰C erreicht haben, wenn die erste hohe Emissionsspitze 20 s nach dem Kaltstart beginnt. Für die Beheizung des Katalysators sind hierbei 10 - 20 Kw elektrischer Leistung erforderlich. Für diese Leistung ist eine verstärkte Fahrzeugbatterie oder sogar eine zusätzliche Batterie erforderlich und ein verstärkter Stromgenerator, um die Batterie baldmöglichst zu beladen. Hierdurch werden hohe Kosten und Gewichte verursacht. Wegen dieses hohen technischen und finanziellen Aufwands wird der Katalysator nur beim Kaltstart beheizt, nicht aber beim Warmstart in bag 3, wo dies von der Emissionsseite her auch sinnvoll wäre, weil der Katalysator in den 10 min Pause abkühlt. Auch bei im realen Fahrverkehr häufig vorkommenden Fahrtunterbrechungen oder Fahrsituationen mit Wärmedefizit oder Umgebungstemperaturen, die üblicherweise weit unter den Testtemperaturen des FTP-Tests von 20⁰C liegen, wäre ein Wiederstart der Katalysatorbeheizung sinnvoll. Die realen Umgebungstemperaturen sind deshalb interessant, weil die schädlichen Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen mit niedriger Umgebungstemperatur stark zunehmen.

0 Um nun den Aufwand für die elektrische Heizung des Katalysators so gering wie möglich zu halten, versucht man, den Katalysator so weit wie möglich dem Motor zu nähern und die Wärmeverluste der Abgase in der Abgasleitung zu reduzieren. Die Einführung von wärmeisolierten Abgasleitungen zwischen Motor und Katalysator, wie beispielsweise die Verwendung eines dünnwandigen inneren Rohrs, das durch einen engen Luftspalt von einem äußeren, stärkeren Abgasrohr umgeben wird, geht in

dieselbe Richtung. Mit beiden Maßnahmen kommt man jedoch in Konflikt mit Betriebssituationen, in denen ein Wärmeüberschuß besteht, wo nämlich die Abgase zu heiß für den Katalysator sind und dadurch thermisch bedingte Alterung der katalytisehen Flächen verursachen. Durch lange Vollastfahrten auf der Autobahn oder bei langen Steigungen in gebirgigen Gegenden werden auch Totalschäden durch Überhitzung verursacht. Es sind sogar Entwicklungen im Gange, solche Wärmeschäden in nicht regulierten, also realen Betriebszustanden zu vermeiden, indem ein Überschuß an Kraftstoff zur Kühlung des Katalysators eingespritzt wird. Auf diese Weise wird der Sinn des Katalysators verkehrt und außerdem Kraftstoff vergeudet.

Die effektivste Maßnahme gegen thermische Schäden des Katalysators ist, den Katalysator weiter vom Motor zu entfernen, so daß die Abgase auf dem Weg zwischen Motor und Katalysator genügend abkühlen. Dies ist aber gerade dem Wunsch entgegengesetzt, bei Betriebszustanden mit Wärmemangel den Katalysator motornah anzuordnen.

Es ist deshalb Aufgabe der Neuerung, bei Wärmemangel die Abgase dem Katalysator mit möglichst hoher Temperatur zuzuleiten, vorzugsweise mit einer Temperatur über der katalytischen Wirkungstemperatur von ca. 400 °C, um spätestens mit Beginn der ersten Emissionsspitze 20 s nach dem Kaltstart im US-Test bzw. nach 11 s im EG-III-Test bereits einen voll wirksamen Katalysator zur Verfügung zu haben und in Betriebszustanden mit Wärmeüberschuß die Abgase dem Katalysator mit möglichst niedriger Temperatur zuzuführen, vorzugsweise mit einer Tem-0 peratur unter 700 ⁰C, um den Katalysator vor Wärmeschäden zu schützen. Weiter sollen diese Maßnahmen zuverlässig und kostengünstig sein und möglichst wenig zusätzliches Gewicht erfordern.

Zusätzlich soll der Motor schneller aufgeheizt werden, um schneller Abgase mit erhöhter Temperatur zu erhalten, um die HC- und CO-Emissionen des Motors zu verringern, und um die

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KraftstoffÜberfettung früher auszuschalten bzw. die &lgr;-Regelung des Katalysators früher einzusetzen, die den stöchiometrischen Betrieb regelt. Weiter soll der Kraftstoffverbrauch und der Verbrauch an elektrischer Energie minimiert werden, und die Kabinenheizung soll zumindest nicht vermindert werden.

Die schnelle Aufheizung des Motors soll nicht nur beim Kaltstart möglich sein, sondern auch bei kurzzeitigen Unterbrechungen des Motorbetriebs.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei der eingangs genannten Anordnung darin, daß die Abgasleitung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Katalysator zumindest über einen Teil ihrer Länge in einem gegen Wärmeverluste abgeschirmten Teillastrohr und eine im Wärmetausch mit der Umgebung stehendes Vollastrohr unterteilt ist und daß zur Steuerung der Beaufschlagung des Vollastrohrs und des Teillastrohrs mindestens ein in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Systems steuerbares Ventil vorgesehen ist.

Die Bezeichnungen Teillastrohr und Vollastrohr sind zur einfachen Unterscheidung mit Bezug auf relevante Betriebszustände gewählt. Dabei wird unter Vollast ein Betriebszustand verstanden, dessen Abgastemperatur mindestens der Betriebstemperatur des Katalysators entspricht, während unter Teillast ein Betriebszustand verstanden wird, dessen Abgas- und Katalysatortemperatur niedriger ist als die Betriebstemperatur des Katalysators. Durch die Verwendung des Begriffs "Rohr" sollen weder andere zur Leitung von Gasen geeignete Leitungen, noch Leitungen ausgeschlossen werden, die mehr als ein Rohr umfassen.

Die Neuerung bietet die Möglichkeit, zwischen Motor und Katalysator die Abgase abhängig vom Betriebszustand des Systems auf hinsichtlich ihrer thermischen Rückwirkung auf die Abgase unterschiedlich gestalteten Leitungswegen zu führen, so daß

z.B. bei Betriebszuständen mit Wärmemangel die Abgase zwischen Motor und Katalysator zumindest überwiegend ein Teillastrohr durchfließen, das zur Erzielung einer möglichst hohen Abgastemperatur am Katalysatoreintritt ausgelegt ist, und daß bei Betriebszuständen mit Wärmeüberschuß die Abgase zwischen Motor und Katalysator zumindest überwiegend ein Vollastrohr durchfließen, dessen Erstreckung zwischen Motor und Katalysator und dessen Ausbildung derart ist, daß bei Vollast und maximaler Drehzahl die Temperatur der den Katalysator durchfließenden Abgase so niedrig ist, daß Wärmeschäden vermieden werden.

Das Teillastrohr kann dabei so eng ausgelegt sein, daß durch den Rückstau der Abgase eine Schnellaufheizung des Motors verursacht wird, wodurch die Abgastemperatur erhöht wird, die CO- und HC-Bildung abnimmt und der geregelte Katalysatorbetrieb früher möglich wird.

Eine solche Stauwirkung kann auch durch ein zusätzliches Stauventil bewirkt werden, oder der Motor kann z.B. durch einen Wärmespeicher in Sekundenschnelle aufgeheizt werden.

Die Anordnung kann so getroffen werden, daß die Abgase entweder nur das Teillastrohr, oder das Teillastrohr und das VoI-lastrohr gemeinsam durchströmen.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die das Teillastrohr durchfließenden Abgase über einen Vorkatalysator geführt werden.

0 Eine bevorzugte, raum- und kostensparende Ausführungsform besteht darin, daß das Teillastrohr im Inneren des Vollastrohrs verläuft, so daß bei Sperre des Vollastrohrs der Zwischenraum zwischen Teillastrohr und Vollastrohr als Isolierspalt wirkt.

Das Teillastrohr kann wärmeisoliert sein und sein Querschnitt kann auf die Besonderheiten des Betriebs mit Wärmedefizit ausgelegt und deshalb sehr klein sein im Vergleich zu dem

Querschnitt für Vollast. Dies dient der Verkürzung der Verweildauer der Abgase zwischen Motor und Katalysator, sowie der Reduzierung der wärmetauschenden Rohrfläche und damit der Minimierung der Wärmeverluste.
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Die Abgasvolumina beim Betrieb mit Wärmedefizit sind wesentlich niedriger als bei Vollast. Sowohl die Motordrehzahl als auch die Abgastemperaturen sind wesentlich niedriger. Nimmt man &zgr;. B. für Betrieb mit Wärmemangel eine Leerlaufdrehzahl von &eegr; = 600 /min an, einen Lastfaktor von 1 = 0,3 und eine Abgastemperatur von t = 100 ⁰C und entsprechend für Vollast &eegr; = 6000, 1 = 1,2 und t = 900 ⁰C, so steigen die Abgasvolumina bei Vollast gegenüber Leerlauf um den Faktor

6000/600 &khgr; 1,2/0,3 &khgr; (900 + 273)/(100 + 273) « 126.

Hieraus ergibt sich, daß der Fließquerschnitt des Teillastrohrs bezogen auf konstante Fließgeschwindigkeit der Abgase um den Faktor 10 bis 100 kleiner sein kann als der des VoI-lastrohrs, je nach der Wahl der Umschaltbedingungen zwischen Teillast und Vollast hinsichtlich Menge und Temperatur der Abgase, Rückstau, etc.

Wegen des geringeren Durchmessers des Teillastrohrs kann dieses - wie bereits erwähnt - zumindest über einen Teil seiner Länge innerhalb des Vollastrohrs verlaufen.

Während bei niedrigen Abgastemperatüren das Abgas zur möglichst vollständigen Nutzung seines Wärmeinhalts für die Aufheizung des Katalysators bzw. die Aufrechterhaltung der Katalysatortemperatur zweckmäSigerweise nur über das Teillastrohr geführt wird, kann bei Vollast zusätzlich zum Vollastrohr gegebenenfalls auch der Querschnitt des Teillastrohrs für die Abführung des Abgases eingesetzt werden. Zur Steuerung des Abgasstroms ist es deshalb ausreichend, wenn nur das Vollastrohr durch das Ventil absperrbar ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht dabei darin, daß das Ventil eine im Quer-

schnittsbereich eines Endes des Teillastrohrs angeordnete, in Schließstellung das Vollastrohr sperrende Ventilklappe umfaßt, die eine in Schließstellung den Strömungsquerschnitt des Teillastrohrs freihaltende Durchbrechung aufweist. 5

Um auch im Bereich des Abgaskrümmers am Motor Wärmeverluste des Abgases bei Teillast zu vermeiden, besteht eine vorteilhafte Ausführungsform darin, daß das Teillastrohr motorseitig mit einem verzweigten Ende bis in die Verzweigungen des einen Abschnitt des Vollastrohrs bildenden Abgaskrümmers geführt ist und daß das Ventil am Auslaß des Teillastrohrs angeordnet ist.

Nach einer zweckmäßigen Ausführungform ist das Teillastrohr bis unmittelbar vor den Katalysator geführt, wodurch bei Teillastbetrieb nur ein Teil des Katalysatorquerschnitts vom Abgas durchströmt wird und sich dadurch schneller aufheizt.

Dabei besteht eine bevorzugte Ausgestaltung darin, daß die Mündung des Teillastrohrs vor dem Katalysator erweitert ist, damit der angeströmte Teilquerschnitt des Katalysators nicht auf den gegebenenfalls sehr gering gehaltenen Querschnitt des Teillastrohrs beschränkt bleibt.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung besteht auch darin, daß dem als Hauptkatalysator dienenden Katalysator stromauf ein Vorkatalysator vorgeschaltet ist, dessen Abgase den Hauptkatalysator aufheizen, wobei vorzugsweise der Vorkatalysator im Strömungsweg der das Teillastrohr durchströmenden Abgase angeordnet ist. Durch diese Anordnung des Vorkatalysators kann 0 dieser wärmeisoliert angeordnet werden, und er kann mit den hohen Geschwindigkeiten im Teillastrohr beaufschlagt werden, was die schnelle Beheizung der katalytischen Oberflächen begünstigt, ohne daß die Wärme zu schnell in das Trägermaterial eindringt. Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Vorkatalysator an das stromab gelegenen Ende des Teillastrohrs angeschlossen.

Die Stirnfläche des Vorkatalysators kann wesentlich geringer ausfallen als die Stirnfläche des Hauptkatalysators, Vorkatalysator und Hauptkatalysator können deshalb nach einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung so miteinander kombiniert werden, daß der Querschnitt des Hauptkatalysators das Vollastrohr ausfüllt und größer ist als der Querschnitt des Vorkatalysators, daß der Hauptkatalysator sich direkt an den Vorkatalysator anschließt, daß sich das Teillastrohr im Inneren des Vollastrohrs auf den Querschnitt des Vorkatalysators trichterförmig erweitert und vor dieser Erweiterung an seinem Umfang mit Durchbrechungen versehen ist. Auf diese Weise wird bei mittleren Volumenströmen durch das Teillastrohr vor der trichterförmigen Erweiterung eine Venturiwirkung entstehen, die Abgase vom Austritt aus dem Hauptkatalysator her ansaugt, so daß der Hauptkatalysator in seinen äußeren Lagen rückwärts durchströmt und aufgeheizt wird und diese Abgase dann wieder durch den Vorkatalysator und den inneren Teil des Hauptkatalysators weiterfließen.

Zur Vermeidung von Wärmeverlusten weist vorzugsweise das Material des Teillastrohrs eine geringe spezifische Wärmekapazität auf. Eine weiterer diesem Zweck dienende Maßnahme besteht darin, daß das Teillastrohr sehr dünnwandig ausgebildet ist. Außerdem sollte das Teillastrohr möglichst eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, z.B. bei einer Ausführung aus Edelstahl mit hohem Nickelanteil.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschrei-0 bung.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Neuerung näher erläutert.
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Es zeigt:

Fig. l eine schematische Darstellung des Abgassystems ei-

Fig.	2b
Fig.	2c
Fig.	3
Fig.	4
Fig.	5
Fia.	6

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nes Verbrennungsmotors zur Erläuterung des Grundprinzips der Neuerung,

Fig. 2a den Abgaskrümmer eines Vierzylinder-Verbrennungsmotors mit einem zu einem Katalysator führenden Abgasrohr üblicher Bauart,

ein das Abgasrohr nach Fig. 2a ersetzendes, neuerungsgemäß gestaltetes Abgasrohr, eine der Fig. 2b ähnliche Darstellung mit einer anderen neuerungsgemäßen Ausführungsform, Fig. 3 eine Detailansicht einer Ausführungsform mit erweiterter Mündung des Teillastrohrs,

eine der Fig. 3 ähnliche Darstellung mit Vorkatalysator,
eine weitere Variante ähnlich Fig. 4, Fig. 6 eine andere Ausführungsform mit der Möglichkeit

einer Rezirkulationsströmung über den Hauptkonverter,

Fig. 7 ein Abgassystem ähnlich Fig. 2c mit einem dem Katalysator nachgeschalteten Wärmetauscher, Fig. 7a eine im Maßstab größere Detailansicht des Ventils

zur Sperre des Vollastrohrs und

Fg. 8 eine Variante der schematischen Darstellung in Fig. 1 mit zu- und abschaltbarem Vorkatalysator.

In Fig. 1 bezeichnet 10 einen Verbrennungsmotor, dessen Abgase über eine einen katalytischen Konverter bzw. Katalysator enthaltende Abgasleitung 12 abgeführt werden. Auf dem größten Teil der Strecke zwischen dem Motor 10 und dem Katalysator 14 wird die Abgasleitung 12 durch zwei parallele Zweige 12a und 12b gebildet. Im Zweig 12a befindet sich ein Absperrventil 16. Ist dieses Ventil 16 geschlossen, werden die Abgase nur über den Zweig 12b, der innerhalb oder außerhalb des Zweigs 12a verlaufen kann, dem Katalysator 14 zugeführt .

Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, ist der Leitungszweig 12a derart gestaltet, daß er eine Wärmeabgabe an die

Umgebung begünstigt, während der Leitungszweig 12b nach Materialwahl, Fließquerschnitt und Anordnung einen Wärmeverlust des ihn durchströmenden Abgases möglichst wirkungsvoll verhindern soll.
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Das Ventil 16 ist durch eine nicht dargestellte Steuerung, die direkt oder indirekt die Abgastemperatur des Motors 10 und/oder die Temperatur im Bereich des Katalysators 14 anzeigende Betriebsparameter des Systems verarbeitet, so gesteuert, daß das Ventil 16 geschlossen ist, wenn am Katalysator zur Erlangung oder Aufrechterhaltung der vollen Wirksamkeit Wärmebedarf besteht. Dies ist nach einem Kaltstart und in der Regel auch dann der Fall, wenn aufgrund der Betriebsbedingungen die Abgastemperatur unter die für die katalytische Funktion des Konverters erforderliche Temperatur absinkt, weshalb dieser Betriebszustand hier vereinfachend als "Teillast" bezeichnet wird, während andere Betriebszustände "Vollast" genannt werden. Wenn Wärmebedarf besteht, wird das Abgas bei geschlossenem Ventil 16 über den Leitungszweig 12b 0 geführt, damit der Wärmeinhalt des Abgases möglichst verlustfrei zur Erwärmung des Katalysators 14 genutzt werden kann. Der Leitungszweig 12b wird deshalb nachfolgend als "Teillastrohr" und der Leitungszweig 12a als "Vollastrohr" bezeichnet.

Die Fig. 2a zeigt eine Abgasleitung, wie sie bereits bekannt ist, um Wärmeverluste des Abgases zu verhindern. Der Abgaskrümmer 13 und der anschließende, zum Katalysator 14 führende Leitungsabschnxtt 15 sind jeweils doppelwandig mit Außenrohr 13a bzw. 15a und einem Innenrohr 13b bzw. 15b ausgeführt, wobei das Abgas im dünnwandigen Innenrohr 13b bzw. 15b geführt wird und der Ringraum zwischen Außenrohr 13a und 15a einerseits und Innenrohr 13b bzw. 15b andererseits nicht durchströmt wird und als Isolierspalt dient.

Wie bereits einleitend erläutert wurde, kann das Teillastrohr 12b einen wesentlich geringeren Querschnitt aufweisen als das erfindungsgemäße Vollastrohr 12a, so daß das Teillastrohr 12b

- wie es die Fig. 2b zeigt - im Inneren des Vollastrohrs 12a angeordnet werden kann. Im Gegensatz zu der bereits bekannten, in Fig. 2a gezeigten Bauart ist dabei der Querschnitt des Teillastrohrs 12b wesentlich kleiner als der Querschnitt des äußeren, das Teillastrohr 12b umhüllenden Vollastrohrs 12a und das Teillastrohr 12b ist z.B. exzentrisch im Vollastrohr 12a derart angeordnet, daß es mit Abstand von einer Längsmittelebene und der Innenwandung des Vollastrohrs 12a verläuft. Dadurch kann das Steuerventil 16 als einfache Drehklappe 18 ausgeführt werden, deren Drehachse 20 in dieser Diametralebene verläuft und die in Schließstellung den Querschnitt des Vollastrohrs 12a abdecken kann. Der in dieser Schließstellung den Strömungsquerschnitt des Teillastrohrs 12b abdeckende Bereich der Drehklappe 18 ist mit einer Durchbrechung 22 versehen, so daß das Abgas allein über das Teillastrohr 12b strömen kann.

Bei der in Fig. 2b gezeigten Anordnung wird der bisherige, doppelwandige Abgaskrümmer 13 verwendet und das erfindungsgemäß ausgebildete Abgasrohr mit Vollastrohr 12a und Teillastrohr 12b schließt sich an Stelle des Leitungsabschnitts 15 an den Krümmer 13 an. Um die Öffnungsbewegung der Drehklappe 18 nicht zu behindern, ist sowohl das Ende des Abgaskrümmers 13, als auch das Ende des Vollastrohrs 12a mit einem Ausschnitt versehen, der jeweils um eine der Dicke der Drehklappe 18 entsprechende Länge über die durch die Drehachse 20 bestimmte Diametralebene hinausgeführt ist. In geschlossener Stellung liegt die Drehklappe 18 an dem nicht ausgeschnittenen Abschnitt des Krümmers 13 und dem Teillastrohr 12b an.

Die Fig. 2c zeigt eine Variante, bei welcher sich das Vollastrohr 12a in einem Abgaskrümmer 13a mit einfacher Wandung fortsetzt und das Teillastrohr 12b in diesen Krümmer 13a hineingeführt ist und sich in diesem in einem Abschnitt 13b verzweigt. In diesem Fall ist das Ventil 16 an dem Katalysator 14 zugewandten Ende der Rohre 12a und 12b angeordnet.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 2b und 2c mündet das Teillastrohr 12b in eine trichterförmige Erweiterung des Vollastrohrs 12a, so daß der Katalysator 14 voll mit dem aus dem Teillastrohr 12b austretenden Abgas beaufschlagt wird. Bei der in Fig. 3 gezeigten Variante endet das Teillastrohr 12b unmittelbar vor dem Katalysator 14, so daß bei Teillastbetrieb, wenn das Ventil 16 geschlossen ist, nur ein Teilquerschnitt des Katalysators 14 von dem allein aus dem Teillastrohr 12b austretenden Abgas beaufschlagt und dadurch schneller auf die Wirkungstemperatur gebracht wird. Wie erwähnt, kann der Querschnitt des Teillastrohrs 12b relativ zum Querschnitt des Vollastrohrs 12a sehr klein gehalten werden. Damit ein für eine wirksame Abgasentgiftung ausreichender Querschnitt des Katalysators beaufschlagt wird, ist der Mündungsbereich des Teillastrohrs 12b trichterförmig bis auf den gewünschten Querschnitt erweitert.

Die Fig. 4 zeigt eine ähnliche Anordnung, jedoch ist hier mit der erweiterten Mündung des Teillastrohrs 12b ein Vorkataly-0 sator 24 verbunden, der in einem Abstand vom Hauptkatalysator 14 im Vollastrohr 12a angeordnet ist.

Bei der Variante nach Fig. 5 ist ebenfalls ein Vorkatalysator 24 vorgesehen, jedoch ist dieser mit Abstand von der Mündung des Teillastrohrs 12b im Vollastrohr 12a angeordnet, so daß er stets von der gesamten in der Abgasleitung 12 abströmenden Abgas beaufschlagt wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zeigt die Fig. 6.

Der Vorkatalysator 24 ist dabei - wie in Fig. 4 - mit dem Ende des Teillastrohrs 12b verbunden, das sich vor dem Vorkatalysator 24 trichterförmig erweitert, und besitzt einen kleineren Querschnitt als der ihn umschließende Abschnitt des Vollastrohrs 12a. Der Hauptkatalysator 14 schließt sich direkt an das Ende des Vorkatalysators 24 an und füllt das Vollastrohr 12a vollständig aus. Vor der trichterförmigen Erweiterung des Teillastrohrs 12b ist dieses an seinem Umfang

mit einer Reihe von Durchbrechungen 25 versehen. Durch diese Anordnung entsteht durch Venturiwirkung ein Sog im Bereich der Durchbrechungen 25, der eine Rückströmung des aus dem Hauptkatalysator 14 austretenden Abgases über die Randzone des Hauptkatalysators 14, die dadurch bereits im Teillastbetrieb vorgeheizt wird, und zurück in das Teillastrohr 12b verursacht, während der innere Bereich des Katalysators 14 stärker aufgeheizt wird.

Die Fig. 7 zeigt eine Übersicht über ein Abgassystem mit der bereits anhand der Fig. 2c erläuterten Variante, wobei noch einige zusätzliche, die schnelle Aufheizung des Systems fördernde Vorkehrungen dargestellt sind, nämlich ein Drosselventil 26 oder 28, ein Wärmetauscher 30 und ein vorzugsweise als Latentwärmespeicher ausgebildeter Wärmespeicher 32.

Durch Schließen eines in der Abgasleitung 12 parallel zu einem Bypass 34 angeordneten Ventils 26 kann das Abgas über einen im Bypass 34 angeordneten Wärmetauscher 30 geleitet werden, so daß die noch vorhandene Abfallwärme z.B. über den Kühlwasserkreislauf oder eine Luft- bzw. Gemischvorwärmung dem Motor 10 zugeführt werden kann. Durch die Rückgewinnung der Abfallwärme kann der Kraftstoffverbrauch des Motors im Teillastbetrieb um 10 bis 20% gesenkt werden, wobei die Leistung der Kabinenheizung ansteigen kann. Die Wirkung kann noch durch den Einsatz des Drosselventils 28 gesteigert werden, und zwar sowohl durch Förderung des Wärmeübergangs im Wärmetauscher 30, als auch durch den im Motor 10 wirkenden Rückstau. Gegebenenfalls kann auch das Ventil 26 als Dros-0 selventil mit Rückwirkung auf den Motor 10 eingesetzt werden, wenn der Wärmetauscher 30 nicht eingesetzt werden soll.

Das Kühlmittelsystem des Motors 10 ist schematisch dargestellt und mit 36 bezeichnet. Ihm ist ein Latentwärmespeicher 32 zugeordnet, der bei Wärmemangel Wärme an den Motor 10 abgeben kann, sowie der übliche Wärmetauscher 3 8 zur Kabinenheizung.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Variante verläuft das Teillastrohr 12b zumindest teilweise außerhalb des Vollastrohrs 12a, um in diesem Abschnitt den Vorkatalysator 24 und ein auf diesen folgendes Ventil 28 aufzunehmen. Dadurch kann der Vorkatalysator 24 sehr nahe an den Motor 10 herangerückt werden, was die schnelle Aufheizung fördert. Um nicht vom Heißgas durchströmt zu werden, kann er durch das Ventil 28 abgeschaltet werden.

Claims

SCHATZ THERMO GASTECH GmbH 82131 Gauting Anordnung zur Reduzierung der Abgasemissionen von Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysatoren. Schutzansprüche:

1. Anordnung zur Reduzierung der Abgasemissionen von Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, mit Abgaskatalysatoren, mit einer an die Abgasauslässe eines Verbrennungsmotors (10) anschließbaren Abgasleitung (12) und einem aus der Abgasleitung beaufschlagbaren Katalysator (14) , dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (12) zwischen dem Verbrennungsmotor (10) und dem Katalysator (14) zumindest über einen Teil ihrer Länge in ein gegen Wärmeverluste abgeschirmtes Teillastrohr (12b) und ein im Wärmetausch mit der Umgebung stehendes Vollastrohr (12a) unterteilt ist und daß zur Steuerung der Beaufschlagung des Vollastrohrs (12a) und des Teillastrohrs (12b) mindestens ein in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Systems steuerbares Ventil (16) vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß ein Teillastrohr (12b) im Inneren eines Vollastrohrs

{12a) verläuft.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) wärmeisoliert ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) einen wesentlich kleineren Querschnitt aufweist als das Vollastrohr (12a).

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Teillastrohrs (12b) um den Faktor 10 bis 100 kleiner ist als der Querschnitt des Vollastrohrs (12a).

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Vollastrohr (12a) durch das Ventil (16) absperrbar ist.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 6, dadurch ge- kennzeichnet, daß das Ventil (16) eine im Querschnittsbereich eines Endes des Teillastrohrs (12b) angeordnete, in Schließstellung das Vollastrohr (12a) sperrende Ventilklappe (18) umfaßt, die eine in Schließstellung den Strömungsquerschnitt des Teillastrohrs (12b) freihaltende Durchbrechung (22) aufweist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) motorseitig mit einem verzweigten Ende (13b) bis in die Verzweigungen (13a) des einen Abschnitt des Vollastrohrs (12a) bildenden Abgaskrümmers geführt ist und daß das Ventil (16) am Ende des Teillastrohrs (12b) angeordnet ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) bis unmittelbar vor den Katalysator (14) geführt ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung des Teillastrohrs (12b) vor dem Katalysator (14) erweitert ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem als Hauptkatalysator dienenden Katalysator (14) stromauf ein Vorkatalysator (224) vorgeschaltet ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkatalysator (24) im Strömungsweg der das Teillastrohr (12b) durchströmenden Abgase angeordnet ist.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkatalysator (24) an das stromab gelegenen Ende des Teillastrohrs (12b) angeschlossen ist.

14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkatalysator (24) auf das stromab gelegenen Ende des Teillastrohrs (12b) folgend im Vollastrohr (12a) angeordnet ist.

15. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hauptkatalysators (14) das Vollastrohr (12a) ausfüllt und größer ist als der Querschnitt des Vorkatalysators (24), daß der Hauptkatalysator (14) sich direkt an den Vorkatalysator (24) anschließt, daß sich das Teillastrohr (12b) im Inneren des Vollastrohrs (12a) auf den Querschnitt des Vorkatalysators (24) trichterförmig erweitert 0 und vor dieser Erweiterung an seinem Umfang mit Durchbrechungen (25) versehen ist.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) eine geringe spezifische Wärmekapazität aufweist.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch

gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) sehr dünnwandig ausgebildet ist.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) aus Edelstahl mit hohem Nickelanteil besteht.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Teillastrohrs (12b) so bemessen wird, daß bei einem vorgegebenen Betriebszustand der durch das Teillastrohr (12b) verursachte Rückstau einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Drehzahl von 2500 U/min und einem Lastfaktor 0,7 der durch das Teillastrohr (12b) verursachte Rückstau 0,5 bar nicht überschreitet.

22. Anordnung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Betriebsparameter zur Steuerung des Ventils (16) der Staudruck am Teillastrohr (12b) ist, derart, daß beim Überschreiten eines vorgegebenen Staudrucks das Ventil (16) geöffnet wird.

23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (16) zugleich als Überdruckventil mit einstellbarer Öffnungsschwelle ausgebildet ist.

24. Anordnung nach einem der Ansprüche 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Schwellenwert für die Öffnung des Ventils (16) 0,6 bar ist.

25. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch

gekennzeichnet, daß sich ein Stauventil (26, 28) im Weg der das Teillastrohr (12b) durchfließenden Abgase befindet.

26. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor (10) zur Aufheizung ein Latentwärmespeicher (32) zugeordnet ist.

27. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß in die Abgasleitung (12) stromab vom Katalysator (14) zur Nutzung der Abfallenergie für die Aufheizung des Systems ein Abgaswärmetauscher (30) einbezogen ist.

28. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem außerhalb des Vollastrohrs (12a) verlaufenden Abschnitt des Teillastrohrs (12b) ein Vorkatalysator (24) und ein Absperrventil (28) angeordnet ist.

29. Anordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil (28) zugleich als Drosselventil ausgebildet ist.