DE29507565U1 - Arrangement for reducing the exhaust gas emissions of internal combustion engines with exhaust gas catalysts - Google Patents

Arrangement for reducing the exhaust gas emissions of internal combustion engines with exhaust gas catalysts

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Description

Beschreibung: Description :

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 The innovation relates to an arrangement for reducing exhaust emissions from internal combustion engines, in particular motor vehicle engines, with exhaust catalysts, with an exhaust pipe that can be connected to the exhaust outlets of an internal combustion engine and a catalyst that can be acted upon from the exhaust pipe

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.To comply with the current emission regulations according to the American test regulation FTP, it is sufficient to comply with the emission classes TLEV and LEV (Transitional Low Emission Vehicles or Low Emission Vehicles). To do this, it is sufficient, for example, to operate a gasoline engine with a well-functioning air measuring device and precise fuel injection in conjunction with an exhaust catalytic converter. However, the emission regulations are constantly being tightened, so that further improvements are required to comply with future regulations, for example the emission classes ULEV and NZEV (Ultra Low Emission Vehicles or Near Zero Emission Vehicles). The same applies to the European standard EC 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 beheiztenIn line with the state of the art, engines are being further improved to comply with these regulations and exhaust catalytic converters are being equipped with electrical heating for cold starts and with a heat-insulated exhaust pipe between the engine and the catalytic converter, because the possibilities for improving exhaust emissions are primarily to be found in reducing the high exhaust emissions during cold starts, which are due to the fact that the catalytic converter has not yet reached the operating temperature required for its function. Catalytic converter heating using fuel burners is also being discussed, as are HC traps, which capture the hydrocarbons when the engine is cold and store them temporarily until the engine and catalytic converter are ready for operation. The electrically heated

Katalysator werden jedoch die größten Chancen für die Zukunft eingeräumt.However, catalysts are considered to have the greatest opportunities for the future.

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 NOx 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 NOx-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.The problems of the electrically heated catalyst and other measures are caused by the basic properties of internal combustion engines and exhaust catalysts. All internal combustion engines emit large quantities of hydrocarbons and carbon monoxide during cold starts until they have reached operating temperature because combustion is very poor. In addition, an excess amount of fuel is fed to the engine for the purpose of starting and warming up. This causes a conflict with the 3-way catalysts commonly used today - so called because they are designed to convert the three pollutants HC, CO and NO x - which are only fully effective when there is a stoichiometric fuel/air ratio. On the one hand, HC and CO can only burn completely when there is enough oxygen in the air, on the other hand, NO x formation increases sharply when there is an excess of O 2 . The 0 fuel enrichment also exacerbates the formation of HC and CO peaks, which occur as a result of transient mixture changes when the gear is shifted or the associated jumps in engine speed. The fuel enrichment also increases fuel consumption, particularly in local transport. At the same time, the catalytic converters are cold during cold starts and therefore not effective.

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 KataThe FTP test consists of three sections or bags, namely bag 1: cold start and warm-up, 0 - bag 2: operation in warm condition of engine and catalyst

lysator undlysator and

bag 3: Wiederstart des Motors 10 min nach Beendigung von bag 2. Hierbei ist der Katalysator stark und der Motor nur mäßig abgekühlt. 35bag 3: Restart the engine 10 minutes after completion of bag 2. The catalyst is strong and the engine has only cooled down moderately. 35

Bag 1 beginnt mit dem Kaltstart des Motors, der von einem 20 s dauernden Leerlauf gefolgt wird, worauf der Motor dasBag 1 begins with a cold start of the engine, followed by a 20 s idle period, after which the engine

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.
5Vehicle accelerates and generates a very high HC and CO emission peak. Further such emission peaks follow from acceleration and gear changes between the engine and transmission.
5

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.During the first 20 seconds of idling, emissions are not significant. This time is therefore used to heat the catalyst, for example electrically, so that the catalytic surfaces have already reached their sufficient operating temperature of approx. 300 - 400 ° C when the first high emission peak begins 20 seconds after the cold start. Heating the catalyst requires 10 - 20 kW of electrical power. This power requires a reinforced vehicle battery or even an additional battery and a reinforced power generator to charge the battery as quickly as possible. This causes high costs and weight. Because of this high technical and financial outlay, the catalyst is only heated during a cold start, but not during a warm start in bag 3, where this would also make sense from an emissions perspective because the catalyst cools down during the 10 minute break. It would also be useful to restart the catalyst heating in the case of interruptions to the journey or driving situations with a heat deficit or ambient temperatures that are usually far below the FTP test temperatures of 20 0 C, which are common in real traffic. The real ambient temperatures are interesting because the harmful exhaust emissions from motor vehicles increase significantly at low ambient temperatures.

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 in0 In order to keep the cost of electrically heating the catalyst as low as possible, attempts are being made to place the catalyst as close to the engine as possible and to reduce the heat losses of the exhaust gases in the exhaust pipe. The introduction of heat-insulated exhaust pipes between the engine and the catalyst, such as the use of a thin-walled inner pipe surrounded by a narrow air gap by an outer, stronger exhaust pipe, is being

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.the same direction. However, both measures come into conflict with operating situations in which there is an excess of heat, namely where the exhaust gases are too hot for the catalyst and thus cause thermal aging of the catalytic surfaces. Long, full-load journeys on the motorway or long climbs in mountainous areas also cause total damage due to overheating. There are even developments underway to avoid such heat damage in unregulated, i.e. real operating conditions, by injecting an excess of fuel to cool the catalyst. In this way, the purpose of the catalyst is reversed and fuel is wasted.

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.The most effective measure against thermal damage to the catalytic converter is to move the catalytic converter further away from the engine so that the exhaust gases cool down sufficiently on the way between the engine and the catalytic converter. However, this is exactly the opposite of the desire to position the catalytic converter close to the engine in operating conditions with a lack of heat.

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.The aim of the innovation is therefore to feed the exhaust gases to the catalyst at the highest possible temperature in the event of a lack of heat, preferably at a temperature above the catalytic effect temperature of approx. 400 °C, in order to have a fully effective catalyst available at the latest when the first emission peak begins 20 s after the cold start in the US test or after 11 s in the EC III test, and to feed the exhaust gases to the catalyst at the lowest possible temperature in operating conditions with excess heat, preferably at a temperature below 700 0 C, in order to protect the catalyst from heat damage. Furthermore, these measures should be reliable and cost-effective and require as little additional weight as possible.

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 dieIn addition, the engine should be heated up more quickly in order to obtain exhaust gases at higher temperatures more quickly, to reduce the engine’s HC and CO emissions, and to

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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. Fuel over-enrichment should be switched off earlier or the catalyst's λ control, which regulates stoichiometric operation, should be used earlier. Furthermore, fuel consumption and electrical energy consumption should be minimized and the cabin heating should at least not be reduced.

Die schnelle Aufheizung des Motors soll nicht nur beim Kaltstart möglich sein, sondern auch bei kurzzeitigen Unterbrechungen des Motorbetriebs.The rapid heating of the engine should be possible not only during cold starts, but also during short interruptions in engine operation.

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.The solution to this problem in the arrangement mentioned at the beginning consists in the exhaust line between the combustion engine and the catalyst being divided, at least over part of its length, into a partial load pipe shielded against heat loss and a full load pipe that exchanges heat with the environment, and in that at least one valve that can be controlled depending on the operating parameters of the system is provided to control the loading of the full load pipe and the partial load pipe.

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.The terms partial load pipe and full load pipe have been chosen to make them easy to distinguish with reference to relevant operating conditions. Full load is understood to mean an operating condition in which the exhaust gas temperature is at least equal to the operating temperature of the catalyst, while partial load is understood to mean an operating condition in which the exhaust gas and catalyst temperature is lower than the operating temperature of the catalyst. The use of the term "pipe" is not intended to exclude other pipes suitable for conducting gases, nor pipes that include more than one pipe.

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 daßThe innovation offers the possibility of routing the exhaust gases between the engine and the catalytic converter along different lines depending on the operating state of the system in terms of their thermal impact on the exhaust gases, so that

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.e.g. in operating conditions with a lack of heat, the exhaust gases between the engine and the catalyst flow at least predominantly through a partial load pipe that is designed to achieve the highest possible exhaust gas temperature at the catalyst inlet, and that in operating conditions with excess heat, the exhaust gases between the engine and the catalyst flow at least predominantly through a full load pipe, the extent of which between the engine and the catalyst and its design is such that at full load and maximum speed the temperature of the exhaust gases flowing through the catalyst is so low that heat damage is avoided.

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.The partial load pipe can be designed so narrow that the back pressure of the exhaust gases causes the engine to heat up quickly, which increases the exhaust gas temperature, reduces the formation of CO and HC and enables controlled catalytic converter operation earlier.

Eine solche Stauwirkung kann auch durch ein zusätzliches Stauventil bewirkt werden, oder der Motor kann z.B. durch einen Wärmespeicher in Sekundenschnelle aufgeheizt werden.Such a damming effect can also be achieved by an additional damming valve, or the engine can be heated up in a matter of seconds, for example by a heat accumulator.

Die Anordnung kann so getroffen werden, daß die Abgase entweder nur das Teillastrohr, oder das Teillastrohr und das VoI-lastrohr gemeinsam durchströmen.The arrangement can be such that the exhaust gases flow either only through the partial load pipe or through the partial load pipe and the full load pipe together.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die das Teillastrohr durchfließenden Abgase über einen Vorkatalysator geführt werden.It is particularly useful if the exhaust gases flowing through the partial load pipe are guided over a pre-catalyst.

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.0 A preferred, space- and cost-saving embodiment consists in the fact that the partial load pipe runs inside the full load pipe, so that when the full load pipe is blocked, the space between the partial load pipe and the full load pipe acts as an insulating gap.

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 demThe partial load pipe can be thermally insulated and its cross-section can be designed for the specifics of operation with heat deficit and can therefore be very small compared to the

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.
5Cross-section for full load. This serves to shorten the residence time of the exhaust gases between the engine and the catalyst, as well as to reduce the heat-exchanging pipe area and thus to minimize heat losses.
5

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 FaktorThe exhaust gas volumes when operating with a heat deficit are significantly lower than at full load. Both the engine speed and the exhaust gas temperatures are significantly lower. If, for example, an idle speed of η = 600 /min, a load factor of 1 = 0.3 and an exhaust gas temperature of t = 100 0 C are assumed for operation with a heat deficit and accordingly η = 6000, 1 = 1.2 and t = 900 0 C for full load, the exhaust gas volumes at full load increase compared to idling by a factor of

6000/600 &khgr; 1,2/0,3 &khgr; (900 + 273)/(100 + 273) « 126.6000/600 &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.This means that the flow cross-section of the partial load pipe, based on a constant flow rate of the exhaust gases, can be smaller by a factor of 10 to 100 than that of the full load pipe, depending on the choice of switching conditions between partial load and full load with regard to the quantity and temperature of the exhaust gases, back pressure, etc.

Wegen des geringeren Durchmessers des Teillastrohrs kann dieses - wie bereits erwähnt - zumindest über einen Teil seiner Länge innerhalb des Vollastrohrs verlaufen.Due to the smaller diameter of the partial load pipe, it can - as already mentioned - run at least over part of its length within the full load pipe.

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-While at low exhaust gas temperatures the exhaust gas is expediently only led through the partial load pipe in order to make the most of its heat content for heating up the catalyst or maintaining the catalyst temperature, at full load the cross section of the partial load pipe can also be used to discharge the exhaust gas in addition to the full load pipe. To control the exhaust gas flow it is therefore sufficient if only the full load pipe can be shut off by the valve. An advantageous design is that the valve has a cross-sectional area of

schnittsbereich eines Endes des Teillastrohrs angeordnete, in Schließstellung das Vollastrohr sperrende Ventilklappe umfaßt, die eine in Schließstellung den Strömungsquerschnitt des Teillastrohrs freihaltende Durchbrechung aufweist. 5sectional area of one end of the partial load pipe, which in the closed position blocks the full load pipe and which has an opening which keeps the flow cross section of the partial load pipe free in the closed position. 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.In order to avoid heat losses of the exhaust gas at partial load in the area of the exhaust manifold on the engine, an advantageous embodiment consists in that the partial load pipe on the engine side is guided with a branched end into the branches of the exhaust manifold forming a section of the full load pipe and that the valve is arranged at the outlet of the partial load pipe.

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.According to a practical design, the partial load pipe is led directly upstream of the catalyst, whereby during partial load operation only a part of the catalyst cross-section is flowed through by the exhaust gas and thus heats up more quickly.

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.A preferred embodiment consists in that the opening of the partial load pipe is widened in front of the catalyst, so that the partial cross-section of the catalyst that is flowing against it is not limited to the possibly very small cross-section of the partial load pipe.

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.A useful design also consists in the fact that a pre-catalyst is connected upstream of the catalyst serving as the main catalyst, the exhaust gases of which heat up the main catalyst, whereby the pre-catalyst is preferably arranged in the flow path of the exhaust gases flowing through the partial load pipe. This arrangement of the pre-catalyst allows it to be arranged in a thermally insulated manner and it can be exposed to the high speeds in the partial load pipe, which promotes rapid heating of the catalytic surfaces without the heat penetrating the carrier material too quickly. According to a useful design, the pre-catalyst is connected to the downstream end of the partial load pipe.

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.The front surface of the pre-catalyst can be significantly smaller than the front surface of the main catalyst. The pre-catalyst and main catalyst can therefore be combined with one another in a very advantageous design in such a way that the cross-section of the main catalyst fills the full-load pipe and is larger than the cross-section of the pre-catalyst, the main catalyst is directly connected to the pre-catalyst, the partial-load pipe inside the full-load pipe expands in a funnel shape to the cross-section of the pre-catalyst and is provided with openings on its circumference in front of this expansion. In this way, at medium volume flows through the partial-load pipe in front of the funnel-shaped expansion, a Venturi effect is created which sucks in exhaust gases from the outlet of the main catalyst, so that the main catalyst flows backwards through its outer layers and is heated up and these exhaust gases then flow on through the pre-catalyst and the inner part of the main catalyst.

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.To avoid heat loss, the material of the partial load pipe preferably has a low specific heat capacity. Another measure that serves this purpose is that the partial load pipe has very thin walls. In addition, the partial load pipe should have as low a thermal conductivity as possible, e.g. if it is made of stainless steel with a high nickel content.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschrei-0 bung.Further advantageous embodiments emerge from the subclaims in conjunction with the following description.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Neuerung näher erläutert.
35The innovation is explained in more detail in the following description of the embodiments shown in the drawing.
35

Es zeigt:It shows:

Fig. l eine schematische Darstellung des Abgassystems ei-Fig. l is a schematic representation of the exhaust system of a

Fig.Fig. 2b2 B Fig.Fig. 2c2c Fig.Fig. 33 Fig.Fig. 44 Fig.Fig. 55 Fia.Fia. 66

1515

nes Verbrennungsmotors zur Erläuterung des Grundprinzips der Neuerung,of a combustion engine to explain the basic principle of the innovation,

Fig. 2a den Abgaskrümmer eines Vierzylinder-Verbrennungsmotors mit einem zu einem Katalysator führenden Abgasrohr üblicher Bauart,Fig. 2a the exhaust manifold of a four-cylinder internal combustion engine with an exhaust pipe leading to a catalyst of conventional design,

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,an exhaust pipe designed in accordance with the innovation, replacing the exhaust pipe according to Fig. 2a, a representation similar to Fig. 2b with another embodiment in accordance with the innovation, Fig. 3 a detailed view of an embodiment with an extended mouth of the partial load pipe,

eine der Fig. 3 ähnliche Darstellung mit Vorkatalysator,
eine weitere Variante ähnlich Fig. 4, Fig. 6 eine andere Ausführungsform mit der Möglichkeita representation similar to Fig. 3 with pre-catalyst,
another variant similar to Fig. 4, Fig. 6 another embodiment with the possibility

einer Rezirkulationsströmung über den Hauptkonverter, a recirculation flow over the main converter,

Fig. 7 ein Abgassystem ähnlich Fig. 2c mit einem dem Katalysator nachgeschalteten Wärmetauscher, Fig. 7a eine im Maßstab größere Detailansicht des VentilsFig. 7 an exhaust system similar to Fig. 2c with a heat exchanger downstream of the catalyst, Fig. 7a a larger scale detailed view of the valve

zur Sperre des Vollastrohrs undto lock the full-load pipe and

Fg. 8 eine Variante der schematischen Darstellung in Fig. 1 mit zu- und abschaltbarem Vorkatalysator.Fig. 8 shows a variant of the schematic representation in Fig. 1 with a pre-catalyst that can be switched on and off.

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 .In Fig. 1, 10 designates an internal combustion engine whose exhaust gases are discharged via an exhaust line 12 containing a catalytic converter or catalyst. Over most of the distance between the engine 10 and the catalyst 14, the exhaust line 12 is formed by two parallel branches 12a and 12b. In branch 12a there is a shut-off valve 16. If this valve 16 is closed, the exhaust gases are only fed to the catalyst 14 via branch 12b, which can run inside or outside branch 12a.

Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, ist der Leitungszweig 12a derart gestaltet, daß er eine Wärmeabgabe an dieAs will be explained in more detail below, the line branch 12a is designed in such a way that it dissipates heat to the

Umgebung begünstigt, während der Leitungszweig 12b nach Materialwahl, Fließquerschnitt und Anordnung einen Wärmeverlust des ihn durchströmenden Abgases möglichst wirkungsvoll verhindern soll.
5environment, while the line branch 12b, depending on the material selected, the flow cross-section and the arrangement, should prevent heat loss of the exhaust gas flowing through it as effectively as possible.
5

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.The valve 16 is controlled by a control system (not shown) that directly or indirectly processes operating parameters of the system that indicate the exhaust gas temperature of the engine 10 and/or the temperature in the area of the catalyst 14, so that the valve 16 is closed when the catalyst requires heat to achieve or maintain full effectiveness. This is the case after a cold start and usually also when the exhaust gas temperature drops below the temperature required for the catalytic function of the converter due to the operating conditions, which is why this operating state is referred to here for the sake of simplicity as "partial load", while other operating states are referred to as "full load". If there is a need for heat, the exhaust gas is guided through the line branch 12b 0 with the valve 16 closed so that the heat content of the exhaust gas can be used to heat the catalyst 14 with as little loss as possible. The line branch 12b is therefore referred to below as the "partial load pipe" and the line branch 12a as the "full load pipe".

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.Fig. 2a shows an exhaust pipe, as is already known, in order to prevent heat losses from the exhaust gas. The exhaust manifold 13 and the subsequent pipe section 15 leading to the catalyst 14 are each double-walled with an outer pipe 13a or 15a and an inner pipe 13b or 15b, whereby the exhaust gas is guided in the thin-walled inner pipe 13b or 15b and the annular space between the outer pipe 13a and 15a on the one hand and the inner pipe 13b or 15b on the other hand is not flowed through and serves as an insulating gap.

Wie bereits einleitend erläutert wurde, kann das Teillastrohr 12b einen wesentlich geringeren Querschnitt aufweisen als das erfindungsgemäße Vollastrohr 12a, so daß das Teillastrohr 12bAs already explained in the introduction, the partial load pipe 12b can have a significantly smaller cross-section than the full load pipe 12a according to the invention, so that the partial load pipe 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.- as shown in Fig. 2b - can be arranged inside the full-load pipe 12a. In contrast to the already known design shown in Fig. 2a, the cross-section of the partial-load pipe 12b is significantly smaller than the cross-section of the outer full-load pipe 12a that surrounds the partial-load pipe 12b, and the partial-load pipe 12b is arranged eccentrically in the full-load pipe 12a in such a way that it runs at a distance from a longitudinal center plane and the inner wall of the full-load pipe 12a. The control valve 16 can therefore be designed as a simple rotary flap 18, the axis of rotation 20 of which runs in this diametrical plane and which can cover the cross-section of the full-load pipe 12a in the closed position. The area of the rotary flap 18 covering the flow cross-section of the partial load pipe 12b in this closed position is provided with an opening 22 so that the exhaust gas can flow solely via the partial load pipe 12b.

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.In the arrangement shown in Fig. 2b, the previous double-walled exhaust manifold 13 is used and the exhaust pipe designed according to the invention with full-load pipe 12a and partial-load pipe 12b is connected to the manifold 13 in place of the line section 15. In order not to hinder the opening movement of the rotary flap 18, both the end of the exhaust manifold 13 and the end of the full-load pipe 12a are provided with a cutout, which extends beyond the diametrical plane determined by the axis of rotation 20 by a length corresponding to the thickness of the rotary flap 18. In the closed position, the rotary flap 18 rests against the non-cut-out section of the manifold 13 and the partial-load pipe 12b.

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.Fig. 2c shows a variant in which the full-load pipe 12a continues in an exhaust manifold 13a with a single wall and the partial-load pipe 12b is guided into this manifold 13a and branches off in a section 13b. In this case, the valve 16 is arranged at the end of the pipes 12a and 12b facing the catalyst 14.

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.In the embodiment according to Fig. 2b and 2c, the partial load pipe 12b opens into a funnel-shaped extension of the full load pipe 12a, so that the catalyst 14 is fully exposed to the exhaust gas exiting the partial load pipe 12b. In the variant shown in Fig. 3, the partial load pipe 12b ends immediately in front of the catalyst 14, so that during partial load operation, when the valve 16 is closed, only a partial cross section of the catalyst 14 is exposed to the exhaust gas exiting the partial load pipe 12b alone and is therefore brought to the operating temperature more quickly. As mentioned, the cross section of the partial load pipe 12b can be kept very small relative to the cross section of the full load pipe 12a. In order to ensure that the catalyst has a cross-section that is sufficient for effective exhaust gas detoxification, the opening area of the partial load pipe 12b is widened in a funnel shape to the desired cross-section.

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.Fig. 4 shows a similar arrangement, but here a pre-catalyst 24 is connected to the enlarged opening of the partial load pipe 12b, which is arranged at a distance from the main catalyst 14 in the full load pipe 12a.

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.In the variant according to Fig. 5, a pre-catalyst 24 is also provided, but this is arranged at a distance from the mouth of the partial load pipe 12b in the full load pipe 12a, so that it is always exposed to the entire exhaust gas flowing out in the exhaust line 12.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zeigt die Fig. 6.A particularly advantageous embodiment is shown in 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 UmfangThe pre-catalyst 24 is connected - as in Fig. 4 - to the end of the partial load pipe 12b, which widens in a funnel shape in front of the pre-catalyst 24, and has a smaller cross-section than the section of the full load pipe 12a that surrounds it. The main catalyst 14 is directly connected to the end of the pre-catalyst 24 and completely fills the full load pipe 12a. In front of the funnel-shaped widening of the partial load pipe 12b, this is

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.provided with a series of openings 25. This arrangement creates a suction in the area of the openings 25 due to the Venturi effect, which causes the exhaust gas emerging from the main catalyst 14 to flow back over the edge zone of the main catalyst 14, which is thereby preheated even in partial load operation, and back into the partial load pipe 12b, while the inner area of the catalyst 14 is heated up more strongly.

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.Fig. 7 shows an overview of an exhaust system with the variant already explained with reference to Fig. 2c, whereby some additional precautions are shown which promote the rapid heating of the system, namely a throttle valve 26 or 28, a heat exchanger 30 and a heat accumulator 32, preferably designed as a latent heat accumulator.

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.By closing a valve 26 arranged in the exhaust line 12 parallel to a bypass 34, the exhaust gas can be directed via a heat exchanger 30 arranged in the bypass 34, so that the remaining waste heat can be fed to the engine 10, for example via the cooling water circuit or an air or mixture preheater. By recovering the waste heat, the fuel consumption of the engine in partial load operation can be reduced by 10 to 20%, whereby the output of the cabin heating can increase. The effect can be further increased by using the throttle valve 28, both by promoting the heat transfer in the heat exchanger 30 and by the back pressure acting in the engine 10. If necessary, the valve 26 can also be used as a throttle valve with a feedback effect on the engine 10 if the heat exchanger 30 is not to be used.

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. The coolant system of the engine 10 is shown schematically and designated 36. It is assigned a latent heat storage unit 32, which can release heat to the engine 10 in the event of a lack of heat, as well as the usual heat exchanger 38 for cabin heating.

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.In the variant shown in Fig. 8, the partial load pipe 12b runs at least partially outside the full load pipe 12a, in order to accommodate the pre-catalyst 24 and a valve 28 following it in this section. This allows the pre-catalyst 24 to be moved very close to the engine 10, which promotes rapid heating. In order to prevent hot gas from flowing through it, it can be switched off by the valve 28.

Claims (29)

SCHATZ THERMO GASTECH GmbH 82131 Gauting Anordnung zur Reduzierung der Abgasemissionen von Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysatoren. Schutzansprüche:SCHATZ THERMO GASTECH GmbH 82131 Gauting Arrangement for reducing exhaust emissions from internal combustion engines with exhaust catalysts. Protection claims: 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.1. Arrangement for reducing exhaust emissions from internal combustion engines, in particular motor vehicle engines, with exhaust gas catalysts, with an exhaust pipe (12) which can be connected to the exhaust outlets of an internal combustion engine (10) and a catalyst (14) which can be acted upon from the exhaust pipe, characterized in that the exhaust pipe (12) between the internal combustion engine (10) and the catalyst (14) is divided over at least part of its length into a partial load pipe (12b) which is shielded against heat losses and a full load pipe (12a) which is in heat exchange with the environment, and that at least one valve (16) which can be controlled as a function of operating parameters of the system is provided to control the actuation of the full load pipe (12a) and the partial load pipe (12b). 2. Anordnung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Teillastrohr (12b) im Inneren eines Vollastrohrs2. Arrangement according to claim I 1 , characterized in that a partial load pipe (12b) inside a full load pipe {12a) verläuft.{12a) runs. 3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) wärmeisoliert ist.3. Arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that the partial load pipe (12b) is thermally insulated. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) einen wesentlich kleineren Querschnitt aufweist als das Vollastrohr (12a).4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the partial load pipe (12b) has a substantially smaller cross-section than the full load pipe (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).5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the cross section of the partial load pipe (12b) is smaller by a factor of 10 to 100 than the cross section of the full load pipe (12a). 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Vollastrohr (12a) durch das Ventil (16) absperrbar ist.6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the full-load pipe (12a) can be shut off by the valve (16). 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. 7. Arrangement according to claims 2 and 6, characterized in that the valve (16) comprises a valve flap (18) arranged in the cross-sectional area of one end of the partial load pipe (12b), which blocks the full load pipe (12a) in the closed position and which has an opening (22) which keeps the flow cross-section of the partial load pipe (12b) clear in the closed position. 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.8. Arrangement according to one of claims 2 to 7, characterized in that the part-load pipe (12b) is guided on the engine side with a branched end (13b) into the branches (13a) of the exhaust manifold forming a section of the full-load pipe (12a) and that the valve (16) is arranged at the end of the part-load pipe (12b). 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) bis unmittelbar vor den Katalysator (14) geführt ist.9. Arrangement according to one of claims 2 to 8, characterized in that the partial load pipe (12b) is guided up to immediately in front of the catalyst (14). 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung des Teillastrohrs (12b) vor dem Katalysator (14) erweitert ist.10. Arrangement according to claim 9, characterized in that the mouth of the partial load pipe (12b) is widened in front of the catalyst (14). 11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem als Hauptkatalysator dienenden Katalysator (14) stromauf ein Vorkatalysator (224) vorgeschaltet ist.11. Arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that a pre-catalyst (224) is connected upstream of the catalyst (14) serving as the main catalyst. 12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkatalysator (24) im Strömungsweg der das Teillastrohr (12b) durchströmenden Abgase angeordnet ist.12. Arrangement according to claim 11, characterized in that the pre-catalyst (24) is arranged in the flow path of the exhaust gases flowing through the partial load pipe (12b). 13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkatalysator (24) an das stromab gelegenen Ende des Teillastrohrs (12b) angeschlossen ist.13. Arrangement according to claim 12, characterized in that the pre-catalyst (24) is connected to the downstream end of the part-load pipe (12b). 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.14. Arrangement according to claim 12, characterized in that the pre-catalyst (24) is arranged in the full-load pipe (12a) following the downstream end of the partial-load pipe (12b). 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.15. Arrangement according to claim 13, characterized in that the cross section of the main catalyst (14) fills the full load pipe (12a) and is larger than the cross section of the pre-catalyst (24), that the main catalyst (14) is directly connected to the pre-catalyst (24), that the partial load pipe (12b) widens in a funnel shape inside the full load pipe (12a) to the cross section of the pre-catalyst (24) and is provided with openings (25) on its circumference before this widening. 16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) eine geringe spezifische Wärmekapazität aufweist.16. Arrangement according to one of claims 1 to 15, characterized in that the partial load pipe (12b) has a low specific heat capacity. 17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch 17. Arrangement according to one of claims 1 to 16, characterized gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) sehr dünnwandig ausgebildet ist. characterized in that the partial load tube (12b) is designed with very thin walls. 18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.18. Arrangement according to one of claims 1 to 17, characterized in that the partial load tube (12b) has a very low thermal conductivity. 19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) aus Edelstahl mit hohem Nickelanteil besteht.19. Arrangement according to claim 18, characterized in that the partial load tube (12b) consists of stainless steel with a high nickel content. 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.20. Arrangement according to one of claims 4 or 5, characterized in that the cross-section of the partial load pipe (12b) is dimensioned such that, in a predetermined operating state, the back pressure caused by the partial load pipe (12b) does not exceed a predetermined value. 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.21. Arrangement according to claim 20, characterized in that at a speed of 2500 rpm and a load factor of 0.7, the back pressure caused by the partial load pipe (12b) does not exceed 0.5 bar. 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.22. Arrangement according to one of claims 20 or 21, characterized in that one of the operating parameters for controlling the valve (16) is the dynamic pressure at the partial load pipe (12b), such that when a predetermined dynamic pressure is exceeded, the valve (16) is opened. 23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (16) zugleich als Überdruckventil mit einstellbarer Öffnungsschwelle ausgebildet ist.23. Arrangement according to claim 22, characterized in that the valve (16) is simultaneously designed as a pressure relief valve with an adjustable opening threshold. 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.24. Arrangement according to one of claims 22 and 23, characterized in that the predetermined threshold value for the opening of the valve (16) is 0.6 bar. 25. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch 25. Arrangement according to one of claims 1 to 24, characterized gekennzeichnet, daß sich ein Stauventil (26, 28) im Weg der das Teillastrohr (12b) durchfließenden Abgase befindet. characterized in that a backflow valve (26, 28) is located in the path of the exhaust gases flowing through the part-load pipe (12b). 26. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor (10) zur Aufheizung ein Latentwärmespeicher (32) zugeordnet ist.26. Arrangement according to one of claims 1 to 25, characterized in that a latent heat accumulator (32) is assigned to the motor (10) for heating. 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.27. Arrangement according to one of claims 1 to 26, characterized in that an exhaust gas heat exchanger (30) is included in the exhaust gas line (12) downstream of the catalyst (14) for utilizing the waste energy for heating the system. 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.28. Arrangement according to claim 1, characterized in that a pre-catalyst (24) and a shut-off valve (28) are arranged in a section of the partial load pipe (12b) extending outside the full load pipe (12a). 29. Anordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil (28) zugleich als Drosselventil ausgebildet ist.29. Arrangement according to claim 28, characterized in that the shut-off valve (28) is simultaneously designed as a throttle valve.
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