DE3835939C2 - Abgasanlage - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasanlage für eine Brenn
kraftmaschine von Fahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Patent
anspruchs 1.
Zur weitgehenden Reduzierung der in den Abgasen von Brennkraft
maschinen enthaltenen vermeintlichen Schadstoffe werden heute
üblicherweise in die Abgasanlage eingefügte Katalysatoren ver
wendet. Diese Katalysatoren sind in der Lage, gleichzeitig den
Gehalt an Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid
weitgehend zu reduzieren, sofern bestimmte Bedingungen bei der
Verbrennung in den Brennräumen der Brennkraftmaschinen eingehalten
werden. Da jedoch die Wirksamkeit der Katalysatoren stark von
deren Betriebstemperatur abhängt und bei niedrigen Temperaturen
nicht gegeben oder zumindest stark herabgesetzt ist, ergibt
sich der Umstand, daß beim Kaltstart eines mit einer katalytischen
Abgasreinigungsanlage ausgerüsteten Fahrzeugs relativ große
Mengen an ungereinigtem Abgas in die Atmosphäre abgegeben werden.
Erst wenn der Katalysator durch die heißen Abgase auf eine
Mindestbetriebstemperatur von etwa 300°C erwärmt wird, beginnt
der Katalysator in ausreichendem Maße zu arbeiten und die Schad
stoffe umzuwandeln.
Aus der gattungsgemäßen Offenlegungsschrift DE 21 58 119 ist bereits eine Abgasanlage
für eine Brennkraftmaschine von Fahrzeugen mit einem eine katalytisch wirksame Be
schichtung zur Behandlung der Abgase aufweisenden Katalysator bekannt. Diese Abgas
anlage weist eine einschaltbare Einrichtung zur Aufheizung des Katalysators auf, wobei
diese Einrichtung als Thermoreaktor ausgebildet ist, welcher eine Vorrichtung zur Zufuhr von
Kraftstoff in dieser Einrichtung aufweist und einen Luftkompressor in Form von Sekundär
luftpumpe zur Förderung von Trägerluft in diese Einrichtung.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 22 19 371 ist ein Abgasverarbeitungssystem für
Brennkraftmaschinen bekannt, bei welchem ein Katalysator in einem Gehäuse gehalten ist,
welches über ein Rohrleitungsstück mit einem weiteren Gehäuse verbunden ist, in welchem
ein Brenner zur Aufheizung des Katalysators angeordnet ist. Zu diesem Zweck wird dem
Brennergehäuse über eine Luftpumpe und ein vorgeschaltetes Venturirohr ein Luftkraft
stoffgemisch zugeführt, welches anschließend mit Hilfe einer Zündeinrichtung gezündet wird.
Aus der deutschen Patentschrift DE 563 757 ist bereits eine elektrische Heizvorrichtung zur
Aufheizung eines Luftstromes in einem Abgaskatalysator eines Kraftfahrzeuges bekannt.
Schließlich ist es aus der deutschen Offenlegungsschrift 24 32 285 bekannt, einem Abgas
katalysator einen Wärmetauscher zuzuordnen, welcher der Aufheizung von Arbeitsmitteln
der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeuginnenraumes dient.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin,
eine mit einem Katalysator ausgerüstete Abgasanlage für eine
Brennkraftmaschine von Fahrzeugen der im Oberbegriff des
Patentanspruchs angegebenen Art zu schaffen, bei der ein guter
Umsetzungsgrad des Katalysators auch schon beim Kaltstart der
Brennkraftmaschine sichergestellt ist.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des
Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.
Erfindungsgemäß wird eine verbesserte Gesamtwirksamkeit des Katalysators dadurch
erreicht, daß das den Katalysator enthaltende Gehäuse mit einem zweiten Gehäuse
verbunden ist, welches aus einem die Vorrichtung zur Zufuhr von Kraftstoff enthaltenden
Innengehäuse, welches von der Trägerluft beaufschlagt ist, sowie einem Außengehäuse,
welches über eine Frischluftleitung mit einem Gebläse verbunden ist, besteht. Der
Katalysator kann somit schon vor dem Kaltstart der Brenn
kraftmaschine auf eine für einen guten Umsetzungsgrad erforderliche
Mindestbetriebstemperatur von beispielsweise 300°C gebracht
werden. Dabei kann die dazu erforderliche Aufheizeinrichtung in
ähnlicher Weise wie eine Glühkerze bei einem Dieselmotor unmittel
bar vor dem Anlassen der Brennkraftmaschine etwa durch Betätigung
des Zündschlüssels in eine besondere, die Katalysatorvorheizung
bewirkende Stellung eingeschaltet werden.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind aus den Merkmalen der Unteransprüche ersichtlich und sind
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Abgasanlage
mit einer erfindungsgemäßen Katalysatoraufheiz
einrichtung,
Fig. 2 das die Katalysatoraufheizeinrichtung enthaltende
Gehäuse in einem schematischen Längsschnitt in
vergrößertem Maßstab,
Fig. 3 einen schematisch dargestellten Ausschnitt aus
einer Katalysatoraufheizeinrichtung, die einen
Vorkatalysator und einen Hauptkatalysator enthält,
und
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Abgas
anlage mit einer erfindungsgemäßen Katalysator
aufheizeinrichtung.
In allen Figuren sind die Bezifferungen gleich.
In der Fig. 1 der Zeichnung ist mit 1 eine Abgasanlage einer
in einem Fahrzeug, insbesondere einem Personenkraftfahrzeug,
eingebauten Brennkraftmaschine angegeben, die einen von den
Abgasen der Brennkraftmaschine durchströmten Katalysator 5 auf
weist. Dieser Katalysator besteht aus einem beispielsweise keramischen
oder metallischen Monolith-Körper mit einer Vielzahl von
axial durchgehenden, nicht miteinander in Verbindung stehenden
Kanälen und ist gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer
elastischen Zwischenlage in einem Gehäuse 6 gehalten. Dieses
Gehäuse 6 ist einerseits mit einem Leitungsanschluß 7 einer
von der Brennkraftmaschine kommenden Abgasleitung und andererseits
mit einer zum Abgasschalldämpfer bzw. zum Auslaß führenden Ab
gasleitung 8 verbunden, in der eine Ventilvorrichtung in Form
einer von einem hier nicht gezeigten Antrieb verstellbaren Abgas
klappe 9 angeordnet ist. Die Durchströmung des Katalysators
5 erfolgt bei geöffneter Abgasklappe 9 in Richtung der in der
in Fig. 1 mit unterbrochenen Linien eingetragenen Pfeile, wobei
im wesentlichen nur ein mit 5b bezeichneter äußerer Ringbereich
des Katalysators 5 beaufschlagt wird.
Diesem Katalysator 5 ist nun eine insgesamt mit 2 bezeichnete
Einrichtung zur Aufheizung, kurz Aufheizeinrichtung genannt,
zugeordnet, die einen von einem Gebläse 13
geförderten und in einer elektrischen Heizvorrichtung 3 aufge
heizten sowie gegebenenfalls aus einer Vorrichtung 4 zur Zufuhr von Kraftstoff, auch Kraftstoff
zuführvorrichtung 4 genannten, mit Kraftstoff versehenen Frischluftstrom zunächst dem inneren
Kernbereich 5a des Katalysators und nach Umlenkung auch dem
Ringbereich 5b zuführt. Dazu ist ein mit dem Gehäuse 6 verbindbares
zweites Gehäuse 10 vorgesehen, das aus einem Außengehäuse 15
und einem im wesentlichen konzentrisch dazu gehaltenen Innengehäuse
14 besteht. Das Innengehäuse 14 weist an seinem durch einen
Deckel 26 geschlossenen Ende die Kraftstoffzuführungsvorrichtung
4 in Form einer Kraftstoff und Luft unter Druck in den Innenraum
16 einspritzenden Zweistoff-Einspritzdüse 17 auf. Das offene
Ende des Innengehäuses 14 ist über ein trichterförmiges Rohr
19 mit dem Außengehäuse 15 verbunden und so in dem zweiten Gehäuse
10 gehalten, daß es nach Zwischenschaltung eines Dichtringes
25 im wesentlichen gasdicht an der Stirnseite des Katalysators
5 anliegt.
In der Nähe seines offenen Endes weist das Innengehäuse 14 an
seinem Außenumfang Durchgangsöffnungen, beispielsweise in Form
von gleichmäßig über den Umfang verteilten Längsschlitzen 20
auf. Durch die Längsschlitze 20 wird der von dem Gebläse 13
durch die Luftleitung 11 dem Gehäuse 10 zugeführte Frischluftstrom
nach Durchströmung des zwischen dem Innengehäuse 14 und dem
Außengehäuse 15 angeordneten Ringraumes 18 in den Innenraum
16 des Innengehäuses 14 geleitet. Von dort gelangt der zuvor
in der elektrischen Heizvorrichtung 3 erwärmte Luftstrom in
den radial inneren Kernbereich 5a des Katalysators 5 und nach
Durchströmung desselben sowie Umlenkung in dem in Strömungsrichtung
vorn liegenden Trichterraum 8a in den äußeren Ringbereich
5b des Katalysators 5. Dieser Luft- bzw. Rauchgasstrom wird in
einem ringförmigen, radial außerhalb des trichterförmigen Rohrteils
19 des zweiten Gehäuses 10 liegenden Sammelraum 22 zusammengefaßt
und gelangt dann über den Rauchgasableitungsanschluß 23 zur
Atmosphäre oder zu einem dort gegebenenfalls angeschlossenen
Wärmetauscher zur Vorwärmung von Arbeitsmitteln der Brennkraft
maschine wie zum Beispiel des Kühlwassers oder Motoröls, sowie
einer Fahrzeuginnenraumheizung.
Die Beaufschlagung des Katalysators 5 mit dem aufgeheizten Luft
strom soll nun vor dem Anlassen der Brennkraftmaschine erfolgen
und kann zweckmäßigerweise, ähnlich wie die Glühkerze eines
Dieselmotors, in einer entsprechenden Zwischenstellung des Zünd
schlüssels eingeschaltet werden. Bei der Einschaltung der Aufheiz
einrichtung 2 wird die in der Abgasleitung 8 angeordnete Abgas
klappe 9 geschlossen und gleichzeitig die in der Frischluftleitung
11 angeordnete Klappe 12 ebenso wie die in der Rauchgas
ableitung 23 angeordnete Rauchgasklappe 24 geöffnet. Zusätzlich
wird das Gebläse 13 und die elektrische Heizvorrichtung 3 einge
schaltet, so daß ein vorgeheizter Luftstrom den Katalysator
5 durchströmt. Die Kraftstoffzuführvorrichtung 4 bleibt dagegen
zunächst noch abgeschaltet, zumindest so lange, bis wenigstens
ein Teilbereich des Katalysators 5 auf eine vorgegebene Mindest
temperatur von beispielsweise 300°C aufgeheizt ist. Erst wenn
die durch den Katalysator 5 in Richtung der mit ausgezogenen
Linien angedeuteten Pfeile strömende, durch die elektrische
Heizvorrichtung 3 aufgeheizte Luft wenigstens das vordere Stirn
gebiet des Kernbereichs 5a des Katalysators 5 auf diese Mindest
betriebstemperatur aufgeheizt hat, soll, gesteuert etwa durch
einen in diesem Katalysatorbereich angeordneten Temperaturgeber,
der hier nicht dargestellt ist, zusätzlich auch die Kraftstoffzu
führvorrichtung 4 zugeschaltet werden.
Diese spritzt ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft, wobei die
unter Druck stehende Luft hier nur als Trägerluft für die Zu
führung und Zerstäubung des Kraftstoffes dient, in den Innen
raum 16 des Innengehäuses 14 und damit in den über die die Durch
gangsöffnungen 20 in diesen Innenraum eintretenden vorgewärmten
Luftstrom. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird dann von dem Luftstrom
in den Kernbereich 5a des Katalysators 5 mitgerissen. In dem
stirnseitigen, also vorderen Kernbereich 5a des Katalysators
5, der bereits die für eine katalytische Reaktion erforderliche
Mindestbetriebstemperatur aufweist, kann das zugeführte Kraft
stoff-Luft-Gemisch flammlos verbrannt werden, wobei die entstehende
Wärme dazu genutzt wird, die restlichen Bereiche des Katalysators
5 aufzuwärmen. Die Kraftstoffzuführung durch die Zweistoffdüse
17 sollte dabei so bemessen sein, daß insgesamt gesehen ein
extrem mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer Luftzahl von
2 ≈ 5 entsteht, das bei seiner Verbrennung in dem Katalysator
eine maximale Temperatur von etwa 750°C erzeugt. Höhere Verbren
nungstemperaturen sollten schon deshalb vermieden werden, um
eine Beschädigung des Katalysators 5 während der Aufheizphase
zu vermeiden.
Der Aufheizbetrieb des Katalysators 5 kann beendet werden, wenn
am Außenmantel des Katalysators 5 die Mindestbetriebstemperatur
von 300°C erreicht ist, was beispielsweise durch einen dort
angeordneten, hier ebenfalls nicht gezeigten Temperatursensor
erfaßt werden kann. Erst nach Erreichen dieser Mindestbetriebs
temperatur am Außenmantel des Katalysators 5 sollte ein Anlassen
der Brennkraftmaschine möglich werden. Dies kann beispielsweise
dadurch sichergestellt werden, daß der Zündschlüssel nur nach
Beendigung der Katalysator-Vorwärmphase in die Anlaßstellung
verstellt werden kann. Bei Beendigung der Katalysator-Vorwärm
phase, spätestens aber beim Anlassen der Brennkraftmaschine
werden die Frischluftklappe 12 und die Rauchgasklappe 24 in
ihre Schließstellung und die Abgasklappe 9 in ihre Öffnungsstellung
verstellt, so daß nunmehr nach dem Anlassen der Brennkraft
maschine die aus der Brennkraftmaschine kommenden Abgase ent
sprechend den in der Fig. 1 mit unterbrochenen Linien angedeu
teten Pfeilen durch den Katalysator 5 strömen können. Dabei
erfolgt dann eine wirkungsvolle Nachbehandlung durch entsprechende
Reduzierung der Schadstoffe, zumal der Katalysator dann von
Anfang an die für einen guten Umsetzungsgrad erforderliche Be
triebstemperatur aufweist. Ein mit einer derartigen Abgasanlage
ausgerüstetes Fahrzeug erzeugt somit schon beim Kaltstart nur
noch geringe Mengen an Schadstoffen, so daß der Gesamtumsetzungs
grad für die Schadstoffe wesentlich erhöht wird.
Um sicherzustellen, daß der von der Zweistoffdüse 17 in den
Innenraum 16 des Innengehäuses 14 eingespritzte Kraftstoff nicht
auch auf die Heizkörper 21 der elektrischen Heizvorrichtung
3 gelangen kann, sind diese außerhalb des Innenraums 16, vorzugs
weise aber im Bereich der Durchgangsöffnungen 20 im Ringraum
18 angeordnet. Dies gewährleistet einerseits eine wirkungsvolle
Erwärmung des Luftstromes kurz vor Erreichen des Katalysators 5
und andererseits einen Schutz der Heizkörper 21 gegen direkte
Beaufschlagung mit Kraftstofftröpfchen von der Zweistoffdüse
17.
Zur Zuführung des Kraftstoffes in den Luftstrom wird hier eine
Zweistoffdüse 17 verwendet, die unter Druck stehenden Kraftstoff
zusammen mit Druckluft in den Innenraum 16 des Innengehäuses
14 einspritzt. Der besondere Vorteil einer solchen Zweistoffdüse
besteht darin, daß der Kraftstoff in feinste Tröpfchen aufgerissen
und damit gleichmäßig in den Luftstrom verteilt werden kann,
so daß günstige Vorraussetzungen für die nachfolgende katalytisch
bewirkte Verbrennungsreaktion in dem Katalysator 5 erreicht
werden. Um eine ungünstige Abkühlung des Luftstroms bei der
Durchströmung des Ringraums 18 und des Innenraums 16 des Innen
gehäuses 14 zu vermeiden, sollten die von dem Luftstrom beauf
schlagten Flächen eine Wärmeisolierung, vorzugsweise in Form
einer Beschichtung mit einem wärmeisolierenden keramischen Material
aufweisen.
Die Zuführung des unter Druck stehenden Kraftstoffes und der
Druckluft zu der Zweistoffdüse 17 erfolgt bei dem in der Fig. 1
der Zeichnung gezeigten mehr labormäßig ausgebildeten System
in der Weise, daß der unter Druck stehende Kraftstoff über eine
Druckleitung 27 von einem Kraftstoffzwischenbehälter 30 über
ein Druckregelventil 29 zugeführt wird. Der Kraftstoffzwischen
behälter 30 steht dabei über eine mit einem Magnetventil 31
und einer Kraftstofförderpumpe 32 ausgerüstete Kraftstoffzulauf
leitung 34 mit einem Kraftstofftank 33 zur Zuführung von Kraftstoff
und über eine mit einem Magnetventil 36 ausgestattete Rücklauf
leitung 35 ebenfalls mit dem Kraftstofftank 33 zur Rückführung
überschüssigen Kraftstoffes in Verbindung.
Die zu der Zweistoffdüse 17 führende Druckluftleitung 28 ist
über ein Rückschlagventil 37, ein Druckmindererventil 38 und
ein Magnetventil 39 mit einem Druckluftvorratsbehälter 40 ver
bunden, der über ein Magnetventil 41 von einem Luftkompressor 42
aufgeladen werden kann. Der Druckluftvorratsbehälter 40 ist
über das Magnetventil 39 und ein weiteres Druckmindererventil
43 sowie ein weiteres Magnetventil 44 auch an den Kraftstoff
zwischenbehälter 30 angeschlossen und setzt diesen unter einen
bestimmten Druck, der erforderlich ist, um ein Ausströmen des
Kraftstoffes aus der Zweistoffdüse 17 zu ermöglichen. Durch
entsprechende Ansteuerung des Regelventils 29 kann der Kraftstoff
druck und damit die Menge des von der Zweistoffdüse 17 abge
spritzten Kraftstoffes bestimmt werden. Die zugeführte Kraft
stoffmenge könnte aber auch zusätzlich oder alternativ durch
Änderung des Druckniveaus in der Trägerluftleitung 28 beeinflußt
werden. Abgesehen davon ist es selbstverständlich auch möglich,
anstelle der in der Zeichnung gezeigten Kraftstoffzuführvorrichtung
eine andere einzusetzen, die lediglich ebenfalls geeignet sein
muß, relativ kleine Kraftstoffmengen gut verteilt in den dem
Katalysator 5 zugeführten Luftstrom einzubringen.
Ein entscheidender Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht
dabei darin, mit Hilfe der elektrisch vorgewärmten Luft zunächst
nur einen kleinen Teilbereich des Katalysators auf die Mindest
betriebstemperatur von beispielsweise etwa 300°C aufzuwärmen
und die weitere Aufwärmung des Katalysators dann durch Zuführung
eines sehr mageren Kraftstoff-Luft-Gemisches zu unterstützen,
das in dem Katalysator durch katalytische Reaktion flammlos
verbrennt. Dieser Aufheizbetrieb wird dabei so lange fortgesetzt,
bis auch in den radial äußeren Zonen des Katalysators wenigstens
die Mindestbetriebstemperatur erreicht ist.
Gegebenenfalls kann dieser Aufheizbetrieb auch noch länger durch
geführt werden, um beispielsweise mit Hilfe der abgeführten
Rauchgase das Kühlwasser oder das Motoröl oder andere Betriebs
stoffe der Brennkraftmaschine auf Betriebstemperatur zu bringen,
um so im Kaltstartbetrieb der Brennkraftmaschine auftretende
Verluste nach Möglichkeit zu vermeiden. Auch könnte das über
den Rauchgasableitungsanschluß 23 abgeführte Rauchgas zur Realisierung
einer Standheizung des Fahrgastinnenraumes über einen besonderen
Wärmetauscher genutzt werden. In diesem Zusammenhang wäre
es auch denkbar, die Aufheizeinrichtung 2 zeitgesteuert,
das heißt jeweils zu bestimmten einstellbaren Uhrzeiten, die
kurz vor der beabsichtigten Inbetriebsetzung des Fahrzeugs liegen
sollten, einsetzen zu lassen. In jedem Fall dient aber die Zu
führung des Kraftstoff-Luft-Gemisches neben der elektrischen
Vorwärmung der Luft durch die elektrische Heizvorrichtung 3 dazu,
unmittelbar im Katalysator 5 eine Wärme zu erzeugen, die eine
wirkungsvolle Aufheizung des Katalysators 5 sichert. Der von dem
aufgeheizten und mit dem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch beauf
schlagte Kernbereich 5a des Katalysators 5 verringert zwar den
Durchströmungsquerschnitt des Katalysators 5 für das Abgas der
Brennkraftmaschine. Dieser Kernbereich 5a kann jedoch gegebenen
falls klein gehalten werden, so daß eine Vergrößerung der Katalysator
querschnitte gegenüber herkömmlichen Ausführungen möglicherweise
nicht erforderlich ist.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen
der Aufheizeinrichtung 2 zugeordneten Vorkatalysator 5.2 und
einen mit Abgas beaufschlagbaren Hauptkatalysator 5.1 auf. Zur
Aufheizung des Hauptkatalysators 5.1 wird die Klappe 12 geöffnet
und das Gebläse 13 sowie die elektrische Heizvorrichtung 3 einge
schaltet. Nach der in Fig. 1 schon beschriebenen Methode wird
der Vorkatalysator 5.2 zunächst durch den erwärmten Frischluftstrom
auf eine gegebene Mindesttemperatur aufgeheizt und dann durch
Einschalten der Kraftstoffzuführvorrichtung 4 mit dem extrem
mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch beaufschlagt. Die bei der flamm
losen Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches entstandenen
heißen Rauchgase sowie die in der Heizvorrichtung 3 und in dem
allmählich heißer werdenden Vorkatalysator 52 erhitzte Luft strömen
weitestgehend geradlinig in den Hauptkatalysator 5.1 und heizen
diesen durch Wärmeübertragung auf. Den Strömungsverlauf der
aufheizenden Gase zeigen die mit unterbrochenen Linien einge
tragenen dünnen Pfeile. Eine Abgasanlage mit einer weitestgehend
geradliniger Führung der aufheizenden Gase setzt dem Gebläse
13 einen kleineren Strömungswiderstand entgegen, so daß die
für eine einwandfreie Funktion notwendige
Gebläseleistung gegenüber dem in Fig. 1 beschriebenen Ausfüh
rungsbeispiel einer Abgasanlage geringer ist. Ein weiterer Vorteil
des in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispieles ist darin
zu sehen, daß nur noch eine Stellklappe, nämlich die beispielsweise
als selbsttätige Rückschlagklappe ausgebildete Klappe 12, benötigt
wird. Damit wird der Aufbau der Abgasanlage vereinfacht und
der Steuerungsaufwand reduziert. Der im Vergleich zum Kernbereich
5a wesentlich kleiner ausführbare Vorkatalysator 5.2 kann außerdem
in weitaus kürzerer Zeit auf die vorgegebene Mindesttemperatur
aufgeheizt werden.
Der Aufbau der in Fig. 4 dargestellten Abgasanlage ist grund
sätzlich mit demjenigen in Fig. 1 vergleichbar. Der wesentliche
Unterschied besteht in der veränderten Abgasführung, die durch
Pfeile mit dicken unterbrochenen Linien dargestellt ist. Der
Leitungsanschluß 7 einer von der Brennkraftmaschine kommenden
Abgasleitung ist an der der Aufheizeinrichtung 2 gegenüberliegenden
Stirnseite des Katalysators 5 angeordnet.
Die Ausleitung der im Katalysator 5 gereinigten Abgase erfolgt
an der der Aufheizeinrichtung 2 zugewandten Stirnseite des Kata
lysators durch die zum Abgasschalldämpfer bzw. zum Auslaß
führende Abgasleitung 8. Durch diese Art der Abgasführung wird
wie bei der in Fig. 3 beschriebenen Abgasanlage nur eine Stell
klappe - die Klappe 12 - benötigt. Die Klappe 12 ist jedoch
direkt vor der der Aufheizeinrichtung 2 zugewandten Stirnseite
des Katalysators 5 angeordnet, damit während des Betriebs der
Brennkraftmaschine das Eindringen von Abgasen durch den Kernbe
reich 5a hindurch in die Aufheizeinrichtung 2 unterbunden werden
kann. Während des Aufheizvorganges befindet sich die Klappe
12 in der in der Zeichnung dargestellten Öffnungsstellung. Den
Strömungsverlauf der aufheizenden Gase zeigen die Pfeile mit
dünnen Linien. Nach dem Aufheizvorgang und vor der Inbetriebnahme
der Brennkraftmaschine wird die hier als Drehklappe ausgebildete
Klappe 12 um 90° in Schließrichtung verstellt. Die Vorteile
des in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispieles sind ebenfalls
in einer Vereinfachung des Aufbaus und einer Reduzierung des
Steuerungsaufwands zu sehen.
Bei allen Ausführungsbeispielen einer Abgasanlage mit erfindungs
gemäßen Katalysatoraufheizeinrichtungen kann der im Katalysator
flammlos zu verbrennende Kraftstoff kontinuierlich zugeführt
werden. Insbesondere eine intermittierende Kraftstoffzufuhr
ermöglicht aber eine gute Beeinflussung der Wärmeführung in
den aufzuheizenden Katalysatoren.
Darüber hinaus kann die Zufuhr des Kraftstoff-Luft-Gemisches
so gesteuert werden, daß zunächst ein Anteil von beispielsweise
70% im Kernbereich 5a des Katalysators 5 bzw. im Vorkatalysator
5.2 und der restliche Anteil des unverbrannten Kraftstoffs
im Ringbereich 5b bzw. im Hauptkatalysator 5.1 flammlos verbrannt
wird. Auf diese Weise können für den Katalysator 5 bzw. für
den Katalysator 5.1 insgesamt kürzere Aufheizzeiten erzielt
werden.
Claims (28)
1. Abgasanlage für eine
Brennkraftmaschine von Fahrzeugen, mit einem eine katalytisch
wirksame Beschichtung zur Behandlung der Abgase aufweisenden Katalysator (5)
und einer einschaltbaren Einrichtung (2) zur Aufheizung des Katalysators (5) und mit einer Vorrichtung (4) zur Zufuhr
von Kraftstoff in diese Einrichtung (2) und einem Luftkompressor (42) zur Förderung
von Trägerluft in die Einrichtung (2), dadurch gekennzeichnet, daß ein den Katalysator
(5) enthaltendes Gehäuse (6) mit einem zweiten Gehäuse (10) verbunden ist,
bestehend aus einem die Vorrichtung (4) aufweisenden Innengehäuse (14), das von der
Trägerluft beaufschlagt ist und einem Außengehäuse (15), welches über eine
Frischluftleitung (11) mit einem Gebläse (13) verbunden ist.
2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (4) zur
Kraftstoffzuführung eine Zweistoff-Einspritzdüse (17) aufweist, die unter Druck stehenden
Kraftstoff kontinuierlich oder intermittierend zusammen mit der Trägerluft einspritzt.
3. Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Gehäuse
(15) ein gegenüber der Frischluft abgetrennter Leitungsanschluß (7) für eine von der Brenn
kraftmaschine kommende Abgasleitung vorgesehen ist.
4. Abgasanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zweistoff-Einspritzdüse (17) über eine Druckleitung (27) für Kraftstoff
mit einem Kraftstofftank (33) der Brennkraftmaschine verbunden ist und daß in dieser
Druckleitung (27) ein Druckregelventil (29) angeordnet ist.
5. Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweistoff-Einspritzdüse (17) mit
einer Druckluftleitung (28) verbunden ist, welche von dem Luftkompressor (42) gespeist
wird, und daß in der Druckluftleitung (28) stromab des Luftkompressors (42) ein Druck
minderventil (38) angeordnet ist.
6. Abgasanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 5,
gekennzeichnet durch Mittel zur Zuführung des durch eine Heizvorrichtung (3) aufheiz
baren Frischluftstromes zu wenigstens einem Teil (5a) der Strömungskanäle des Katalysators
(5).
7. Abgasanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Heizvor
richtung (3) zur Aufheizung des Luftstromes vorgesehen ist.
8. Abgasanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Katalysator (5) zur katalytischen Behandlung der Abgase der
Brennkraftmaschine ein Katalysator für die flammlose Verbrennung des über die
Zweistoff-Einspritzdüse (17) eingebrachten Kraftstoffes ist.
9. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, gekennzeichnet
durch einen Vorkatalysator (5.2) zur zusätzlichen Aufheizung des Luftstromes.
10. Abgasanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Vorrichtung (4) zur Kraftstoffzuführung erst nach Erreichen einer
vorgegebenen Mindestbetriebstemperatur in wenigstens einem Teil (5a) des Katalysators
(5) zuschaltbar ist
11. Abgasanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Vorrichtung (4) zur Zuführung einer solchen Kraftstoffmenge in
den Luftstrom ausgebildet ist, daß sich ein sehr mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet,
das bei seiner flammlosen Verbrennung in den Katalysator (5) eine vorgegebene maxi
male Betriebstemperatur nicht überschreitet.
12. Abgasanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom zunächst
durch einen der Mittelachse benachbarten Kernbereich (5a) des Katalysators (5) und
anschließend nach Umlenkung durch einen den Kernbereich (5a) umgebenden Ringbereich
(5b) des Katalysators leitbar ist.
13. Abgasanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein großer Anteil des
Kraftstoffes in dem Kernbereich (5a) des Katalysators (5) und der restliche im Kern
bereich (5a) unverbrannte Anteil des Kraftstoffes im Ringbereich (5b) flammlos ver
brennbar ist.
14. Abgasanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung des Luft
stromes in dem Ringbereich (5b) des Katalysators (5) entgegengesetzt zur Strömung
der Abgase gerichtet ist.
15. Abgasanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung des Luft
stromes in dem Ringbereich (5b) des Katalysators (5) die gleiche Richtung aufweist wie
die Strömung der Abgase.
16. Abgasanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff zur flamm
losen Verbrennung zunächst durch einen Vorkatalysator (5.2) leitbar ist, und daß an
schließend der Luftstrom durch einen Hauptkatalysator (5.1) leitbar ist, der in
geradliniger Strömungsrichtung hinter dem Vorkatalysator (5.2) angeordnet ist.
17. Abgasanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein großer Anteil des
Kraftstoffes in dem Vorkatalysator (5.2) und der restliche im Vorkatalysator (5.2) unver
brannte Anteil des Kraftstoffes im Hauptkatalysator (5.1) flammlos verbrennbar ist.
18. Abgasanlage nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Luftstrom
nach Durchströmung des Katalysators (5) abführende Rauchgasleitung (23) vorgesehen
ist und in dieser und in der in Strömungsrichtung hinter dem Katalysator (5) liegenden
Abgasleitung (8) wechselweise betätigbare Ventilvorrichtungen (24, 9) vorgesehen sind.
19. Abgasanlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß in der Frischluftleitung (11)
eine Ventilvorrichtung (12) vorgesehen ist,
die während der Aufheizperiode des Katalysators (5) zusammen mit der in der
Rauchgasleitung (23) angeordneten Ventilvorrichtung (24) in Öffnungsrichtung betätigt
ist.
20. Abgasanlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauchgasableitungs
anschluß (23) mit einem Wärmetauscher zur Aufheizung von Arbeitsmitteln der Brenn
kraftmaschine und/oder des Fahrzeuginnenraums verbindbar ist.
21. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gehäuse (10)
in dem Außengehäuse (15) konzentrisch gehalten das rohrförmige Innengehäuse
(14) aufweist, das an einem geschlossenen Ende (26) zur Aufnahme der Vorrichtung (4) zur Zufuhr von Krafstoff
und an einem offenen Ende zum gasdichten Anschluß an einen
achsnahen Kernbereich (5a) des Katalysators (5) ausgebildet ist und das an seinem
Außenumfang Durchgangsöffnungen (20) für den Zutritt des durch einen Ringraum
(18) zwischen dem Innengehäuse (14) und dem Außengehäuse (15) strömenden
Frischluftstroms aufweist.
22. Abgasanlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß im Ringraum (18)
zwischen Innengehäuse (14) und Außengehäuse (15) ein Heizkörper (21) der
elektrischen Heizeinrichtung (3) angeordnet sind.
23. Abgasanlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Durch
gangsöffnungen (20) außerhalb des Innengehäuses (14) die Heizkörper (21) der elek
trischen Heizvorrichtung (3) angeordnet sind.
24. Abgasanlage nach Anspruch 21 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch
gangsöffnungen (20) nahe dem offenen Ende des Innengehäuses (14) angebracht sind.
25. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das
offene Ende des Innengehäuses (14) über ein trichterförmiges Rohrteil (19) mit dem
Außengehäuse (15) derart verbunden ist, daß der von dem Frischluftstrom durchsetzte Ring
raum (18) von einem die Anschlüsse (7, 23) der Abgasleitung und der Rauchgasab
leitung aufweisenden Abgasraum (22) getrennt ist.
26. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die von
dem Frischluftstrom beaufschlagten Wände des Außen- (15) und Innengehäuses (14)
wärmeisoliert sind.
27. Abgasanlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände eine wärme
isolierende keramische Beschichtung aufweisen.
28. Abgasanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Einrichtung (2) unmittelbar vor dem Anlassen der Brennkraft
maschine einschaltbar ist.
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