DE3918596A1 - Verfahren und vorrichtung zur katalytischen behandlung der abgase von verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur katalayti­ schen Behandlung der Abgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Fahrzeugmotoren, bei dem die Ver­ brennungsabgase ständig einen Katalysator durch­ fließen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beim Kaltstart von Verbrennungsmotoren werden mit den Abgasen große Mengen von Schadstoffen emittiert. Nachgeschaltete katalytische Konverter oder Katalysa­ toren erfordern eine bestimmte Mindesttemperatur zur Entfaltung ihrer Wirkung. Bis zum Erreichen der Min­ desttemperatur werden die Schadstoffe nicht konver­ tiert und an die Umwelt abgegeben.

Die üblichen Drei-Wege-Katalysatoren enthalten Kata­ lysatormaterial zur Oxydation von CO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, sowie Material zur Reduktion von NO_x. Durch den Reaktionsverzug des Katalysators bis zum Erreichen der Betriebstemperatur werden insbeson­ dere CO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe betrof­ fen, während nennenswerte Emissionen von NO_x erst bei den üblichen Betriebstemperaturen auftreten.

Zur Reduzierung dieses Reaktionsverzuges des Kataly­ sators sind viele Möglichkeiten zumindest theoretisch untersucht worden, beispielsweise die elektrische Aufheizung der Abgase vor ihrem Eintritt in den Kata­ lysator, die zusätzliche Aufheizung des Katalysators oder die Warmhaltung des Katalysators durch Wärmeiso­ lierung bzw. Anwendung eines Wärmespeichers.

Bei der elektrischen Aufheizung der Abgase oder des Katalysators sind hohe Ströme erforderlich, die von serienmäßig in Kraftfahrzeuge eingebauten elektri­ schen oder Stromerzeugern nicht ohne teuere Auf­ stockung geliefert werden können.

Die Warmhaltung von Katalysatoren durch Wärmeiso­ lierung bzw. Wärmespeicherung birgt das Problem der Überhitzung, insbesondere bei Vollast der Anlage, in sich.

Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, bei denen die kataly­ tische Umwandlung möglichst frühzeitig einsetzt und damit die Schadstoffemission auf ein Minimum redu­ ziert wird, wobei zugleich die zusätzliche Inan­ spruchnahme elektrischer Energie, wie auch die Gefahr der Überhitzung bei hoher Last vermieden werden soll und bei denen die Erfordernisse einer wirtschaftli­ chen Fertigung berücksichtigt sind.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß in Be­ triebszuständen unterhalb einer vorgegebenen Um­ schaltbedingung, insbesondere bei mäßiger Abgastempe­ ratur und/oder bei niedriger Drehzahl und niedriger Last, die Abgase vor ihrem Eintritt in den Katalysa­ tor in einem Vorheizbereich durch einen Wärmespeicher beheizt werden.

Der Wärmespeicher kann durch Verlustwärme des Motors geladen werden, so daß der Einsatz elektrischer Ener­ gie nicht erforderlich ist. Durch die vom Wärmespei­ cher an das Abgas abgegebene Wärme tritt die kataly­ tische Umwandlung im Katalysator sehr frühzeitig ein, weil die erforderliche Mindesttemperatur des kataly­ tischen Materials schneller erreicht bzw. überschrit­ ten wird. Die Wärmeabgabe vom Wärmespeicher wird so lange aufrechterhalten, bis aufgrund der Abgastempe­ ratur am Verbrennungsmotor bzw. der Temperatur des Katalysators eine zusätzliche Wärmeabgabe an das Abgas nicht mehr erforderlich ist.

Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß die Abgase in Betriebszuständen mit mäßigen Abgastem­ peraturen im Vorheizbereich durch einen für hohe Effizienz bei niedrigen Drehzahlen und niedrigen Belastungen ausgelegten Wärmespeicher geleitet und daß beim Eintreten einer vorgegebenen Umschaltbedin­ gung, insbesondere bei hoher Abgastemperatur und/oder bei hoher Belastung oder hoher Drehzahl des Ver­ brennungsmotors, die Abgase unter Umgehung des Wärme­ speichers direkt dem Katalysator zugeleitet werden, weil der so ausgelegte Wärmespeicher bei hohen Dreh­ zahlen und/oder hoher Last einen zu hohen Druckwider­ stand erzeugt. Außerdem würde der Wärmespeicher durch die dabei auftretenden sehr hohen Abgastemperaturen thermisch überlastet. Durch diese Auslegung kann der Wärmespeicher besonders kompakt ausgeführt werden, weil beispielsweise beim Ottomotor bei den Drehzahlen und der Last, bei welchen die Abgase über den Wärme­ speicher geleiet werden, die Abgasmenge weniger als ein Viertel der Abgasmenge ist, die beim Auslegungs- Punkt des Katalysators anfällt. Die kompakte Ausfüh­ rung wirkt sich raumsparend und kostensenkend aus. Ein weiterer Vorteil der Umgehung des Wärme­ speiches bei hoher Belastung und/oder hohen Drehzah­ len ist die geringe zeitliche Inanspruchnahme des Wärmespeichers und die damit verbundene geringe Al­ terung.

Eine andere zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß die Abgase im Vorheizbereich durch einen Wärmetauscher geleitet werden und daß nur in Betriebszuständen mit mäßigen Abgastemperaturen ein Heizkreislauf zwischen dem Wärmetauscher und einem Wärmespeicher aufrechterhalten wird, wobei nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der im Heizkreis­ lauf umlaufende Wärmeträger aus dem Wärmetauscher abgezogen wird, wenn der Katalysator die für die Katalysatorwirkung nötige Mindesttemperatur erreicht hat.

Üblicherweise werden Kraftfahrzeugmotoren, insbeson­ dere Otto-Motoren beim Kaltstart mit Kraftstoffüber­ schuß gestartet. In der Startphase besteht deshalb die Gefahr, daß trotz der Erwärmung der Abgase durch den Wärmespeicher die katalytische Oxydation von CO und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe nicht oder nicht vollständig stattfindet, weil der Luftan­ teil zu gering ist. Es ist bekannt, deshalb den Abgasen Sekundärluft zuzuführen, was aufgrund der Nachverbrennung im Abgas zu einer Temperaturerhöhung führt. Um nicht durch Verringerung der Temperaturdif­ ferenz die Wärmeaufnahme des Abgases im Wärmespeicher zu reduzieren, stellt es deshalb eine vorteilhafte Ausgestaltung dar, daß die Sekundärluft den Abgasen zwischen dem Vorheizbereich und dem Katalysator zuge­ führt wird.

Da der Wärmespeicher beim Start des Verbrennungsmo­ tors die Abgastemperatur sehr rasch anhebt, besteht eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung darin, daß zumindest ein Teil der katalytischen Umwandlung an mit oxydationskatalytischem Material beschichteten, vom Abgas bestrichenen Wärmetauscherflächen im Vorheizbereich stattfindet. Dadurch erfolgt bereits kurz nach dem Start eine oxydationskatalytische Umwandlung im Vorkatalysator und deren Reaktionswärme heizt den ständig durchflossenen Katalysator auf. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn den Abgasen vor dem Eintritt in den Vorheizbereich Sekundärluft zuge­ führt wird, weil in diesem Fall die Temperaturstei­ gerung vor dem Vorheizbereich die katalytische Oxyda­ tion im Vorheizbereich begünstigt. Außerdem ist es zweckmäßig, wenn die Speichertemperatur über der Ansprechtemperatur des katalytischen Materials liegt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß das Abgas zunächst durch einen Wärmespei­ cher aufgeheizt, dann dem Abgas zur Nachverbrennung Sekundärluft zugeführt und das mit Sekundärluft ange­ reicherte Abgas durch einen katalytisch beschichteten Wärmespeicher geleitet wird. Eine solche Verfahrens­ weise ist besonders effektiv und kann - wie nachfol­ gend noch ersichtlich wird - mit einem relativ einfa­ chen Wärmespeicher mit zwei gegenläufig durchströmten Kammern verwirklicht werden.

Es ist zwar bekannt, Katalysatoren zur Verkürzung der Ansprechzeit beim Kaltstart einen kleinen Katalysator vorzuschalten, der ebenfalls ständig vom Abgas durchströmt wird. Aufgrund des geringeren Volumens soll sich dieser Vorkatalysator schneller Erwärmen und daher seine schadstoffreduzierende Wirkung be­ reits zeitlich vor dem Hauptkatalysator entfalten. Er verursacht aber unerwünschte Nebeneffekte, insbe­ sondere einen hohen Druckverlust mit Rückwirkungen auf die Motorleistung bei Vollast.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß bei der Verfahrensweise mit direkter Durchströmung des Wärmespeichers durch das Abgas, beim Eintritt der Umschaltbedingung die Umgehung des Wärmespeichers mit einer der Wiederaufladung des Wärmespeichers dienen­ den Verzögerung freigegeben wird und daß bei der einen Wärmetauscher mit Heizkreislauf einsetzenden Verfahrensweise beim überschreiten einer vorgegebenen Temperaturschwelle der Heizkreislauf unterbrochen wird.

Eine Vorrichtung mit einem Verbrennungsmotor und einem in dessen Abgasleitung eingefügten Katalysator besteht erfindungsgemäß darin, daß ein Wärmespeicher wahlweise in die Abgasleitung zwischen Verbrennungs­ motor und Katalysator einschaltbar ist, wobei nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Wärmetauscher ein durch Abfallwärme des Verbrennungsmotors ladbarer Wärmespeicher, wie etwa ein Latentwärmespeicher ist. Latentwärmespeicher können bei relativ geringem Bau­ volumen die erforderliche Wärmemenge zur Verfügung stellen, können auch beengten Raumverhälnissen ange­ paßt werden und können besonders einfach mit der Abfallwärme des Motors geladen werden, so daß die Ausrüstung eines Fahrzeugs mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf wirtschaftliche Weise möglich ist.

Eine sehr zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß der Wärmespeicher für hohe Effizienz bei niedri­ ger Belastung und niedrigen Drehzahlen des Verbren­ nungsmotors ausgelegt ist, um durch die dadurch er­ möglichte kompakte Bauweise die bereits erwähnten Vorteile zu erhalten.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß der Durchflußquerschnitt des Wärmespei­ chers entlang seiner wärmetauschenden Flächen, zur Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit des Ab­ gases im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit im Katalysator, reduziert ist. Durch die höhere Strö­ mungsgeschwindigkeit steigt die Wärmedurchgangszahl, auch k-Wert genannt, von der in hohem Maße die Kosten, das Bauvolumen und das Gewicht eines Wärme­ tauschers bzw. dessen Effektivität abhängen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zur Beschleu­ nigung des Temperaturanstiegs im Abgas besteht darin, daß in dem über den Wärmespeicher führenden Strö­ mungsweg eine einen Abgasstau am Motor - und damit einen Temperaturanstieg - verursachende Drosselstelle angeordnet ist.

Nach einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform können beide Maßnahmen dadurch zusammengefaßt werden, daß die Drosselstelle durch den reduzierten Quer­ schnitt des Wärmespeichers gebildet wird.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß die Abgasleitung zwischen Wärmespeicher und Kata­ lysator mit einem zu- und abschaltbaren Anschluß für Sekundärluft versehen ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß zumindest ein Teil der dem Abgas zugeord­ neten Wärmetauscherfläche des Wärmespeichers mit oxydationskatalytischem Material beschichtet ist, wobei dann vorzugsweise stromauf vom Wärmespeicher die Abgasleitung mit einem zu- und abschaltbaren An­ schluß für Sekundärluft versehen ist.

Eine besonders einfache und wirkungsvolle Ausfüh­ rungsform besteht darin, daß der Wärmespeicher zwei parallel angeordnete und gegenläufig vom Abgas durchströmte Kammern aufweist, wobei der Ausgang der ersten und der Eingang der zweiten Kammer durch eine Umlenkkammer verbunden sind, die mit einem Anschluß für Sekundärluft versehen ist, und daß die dem Abgas zugeordnete Wärmetauscherfläche der zweiten Kammer mit oxydationskatalytischem Material beschichtet ist.

Noch eine andere zweckmäßige Ausgestaltung ist es, daß in dem den Wärmespeicher umgehenden Abschnitt der Abgasleitung eine zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung beliebig verstellbare Drossel­ klappe angeordnet ist. Dadurch wird ein allmählicher Übergang von der Abgasbeheizung durch den Wärmespei­ cher zur unbeheizten Verfahrensweise ermöglicht.

Um eine Überhitzung des Wärmespeichers zu vermeiden, ist nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der über den Wärmespeicher führende Abschnitt der Abgasleitung absperrbar.

Diese kostenverursachende Absperrvorrichtung kann eingespart werden, wenn nach einer weiteren, bevor­ zugten Ausführungsform die Abgasleitung eine um eine die Abgasleitung querende Achse verschwenkbare Dros­ selklappe enthält, mit der Abgasleitung in einer diese Achse enthaltenden Querschnittsebene der Abgas­ leitung und in bezug auf diese Achse einander diame­ tral gegenüberliegend zwei Zweigleitungen verbunden sind, deren eine mit der Einmündung in den Wärmespei­ cher und deren andere mit der Ausmündung aus dem Wärmespeicher verbunden ist, und wenn in der Sperr­ stellung die Drosselklappe derart schräg zur Durch­ flußrichtung der Abgasleitung verläuft, daß sie die beiden Zweigleitungen voneinander trennt.

Bei einer solchen Anordnung besteht zwischen den Anschlüssen der beiden Zweigleitungen kein Druckun­ terschied, so daß bei geöffneter Drosselklappe keine Strömung über den Wärmespeicher stattfindet. Ist die Drosselklappe in ihrer Sperrstellung, wird durch die Trennung der beiden Zweigleitungsanschlüsse der Abgas­ strom über den Wärmetauscher geleitet.

Bei einer Zwischenstellung der Drosselklappe strömt nur ein Teil der Abgase über den Wärmespeicher, wodurch der Speicher noch aufgeladen werden kann, wenn die Umschaltbedingung eingetreten ist, aber die Abgastemperatur noch nicht für den Speicher schädlich ist.

Eine andere vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß zwischen Verbren­ nungsmotor und Katalysator ein Wärmetauscher angeord­ net ist, der über einen einen Wärmeträger enthalten­ den Heizkreislauf mit einem Wärmespeicher verbunden ist, der ebenfalls ein durch Abfallwärme des Verbren­ nungsmotors ladbarer Wärmespeicher sein kann.

Vorzugsweise ist der Heizkreislauf mit einer wahl­ weise zu- oder abschaltbaren Förderpumpe versehen, wobei nach einer ersten Variante der Wärmetauscher höher liegt als ein im Heizkreislauf angeordneter Ausgleichsbehälter für den Wärmeträger und daß die Förderpumpe unterhalb des Ruhepegels im Ausgleichsbe­ hälter und in Förderrichtung zwischen Ausgleichsbe­ hälter und Wärmetauscher angeordnet ist, so daß beim Abschalten der Förderpumpe der fließfähige Wärmeträ­ ger unter dem Einfluß der Schwerkraft aus dem Wärme­ tauscher abströmt und eine Wärmeübertragung vom Wär­ metauscher zum Wärmespeicher und damit eine zu starke thermische Belastung des Wärmespeichers bei hoher Last und/oder hohen Drehzahlen vermieden wird.

Eine andere Variante besteht darin, daß der Wärmetau­ scher tiefer liegt als ein im Heizkreislauf angeord­ neter Ausgleichsbehälter für den Wärmeträger, daß in Förderrichtung zwischen dem Ausgleichsbehälter und dem Wärmetauscher ein Absperrventil angeordnet ist und daß zwischen dem Wärmetauscher und dem Ausgleichsbe­ hälter aufeinanderfolgend die Förderpumpe, eine Rück­ flußsperre und der Wärmespeicher angeordnet sind. In diesem Fall kann der Wärmetauscher durch die Förder­ pumpe entleert werden, wenn das Absperrventil ge­ schlossen ist. Sobald das Absperrventil geöffnet wird, füllt sich der Wärmetauscher unter dem Einfluß der Schwerkraft wieder mit dem Wärmeträger, während bei der erstgenannten Variante der Wärmetauscher durch die Förderpumpe gefüllt werden muß.

Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung kann die Abgasleitung zwischen Wärmetauscher und Katalysa­ tor mit einem zu- und abschaltbaren Anschluß für Sekundärluft versehen sein.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest ein Teil der dem Abgas zugeordneten Wärme­ tauscherfläche des Wärmetauschers mit oxydationskata­ lytischem Material beschichtet, wobei dann zweckmäßi­ gerweise stromauf vom Wärmetauscher die Abgasleitung mit einem zu- und abschaltbaren Anschluß für Sekun­ därluft versehen ist.

Um eine möglichst effektive Isolierung des Wärmespei­ chers zu erhalten, besteht eine bevorzugte Ausge­ staltung darin, daß die Einmündung und Ausmündung an der Unterseite des Wärmespeichers über eine zur Aus­ bildung einer wärmeisolierenden Sperrschicht im Ruhe­ zustand ausreichende vertikale Länge durch dessen Wärmeisolierung geführt sind.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Er­ findung wird diese näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Abgas­ systems eines Fahrzeug-Verbrennungsmotors mit Wärmespeicher,

Fig. 2 eine Variante des Wärmespeicheranschlusses an die Abgasleitung,

Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer ersten Variante eines Abgassystems mit Wärmetauscher und

Fig. 4 eine zweite Variante dieses Abgassystems.

Die in einem Verbrennungsmotor 10 entstehenden Abgase werden über eine Abgasleitung 12 abgeleitet, die über einen ständig durchflossenen Katalysator 14 führt. Zwischen dem Motor 10 und dem Katalysator 14 ist der Abgasleitung 12 ein Wärmespeicher 16 parallelgeschal­ tet, dessen Einströmkammer 18 über eine Zweigleitung 20 und dessen Ausströmkammer 22 über eine Zweigleitung 24 mit der Abgasleitung 12 verbunden ist, wobei sich zwischen der Abzweigung 26 der Zweigleitung 20 und der Einmündung 28 der Zweigleitung 24 ein den Wärme­ speicher 16 umgehender Abschnitt 30 der Abgasleitung 12 erstreckt.

Auf die Einströmkammer 18 folgt eine erste Speicher­ kammer 19, die vom Abgas durchströmt wird. Parallel zu dieser ersten Speicherkammer 19 ist eine zweite Speicherkammer 23 angeordnet, die mit der Ausström­ kammer 22 verbunden ist und in die das aus der ersten Speicherkammer 19 austretende Abgas über eine beide Speicherkammern 19 und 23 überdeckende Umlenkkammer 21 gelangt und in ihr zur Ausströmkammer 22 strömt.

Die Kammern 18, 19, 21, 22, 23 werden von einem Isolierbereich 25 umschlossen.

Der Wärmespeicher ist beispielsweise als Latentwärme­ speicher ausgebildet, der für hohe Effizienz bei niedrigen Motordrehzahlen ausgelegt ist. Außerdem sind vom Abgas bestrichene Wärmetauscherflächen mit oxydationskatalytischem Material beschichtet.

Um das Abgas wahlweise über den Wärmespeicher 16 leiten zu können, ist im Abschnitt 30 eine zwischen einer Öffnungsstellung und einer in der Zeichnung gezeigten Schließstellung stufenlos verstellbare Drosselklappe 32 vorgesehen. Damit bei voll geöffne­ ter Drosselklappe keine durch den Druckunterschied zwischen der Abzweigung 26 und der Einmündung 28 verursachte Strömung des Abgases durch den Wärmespei­ cher 16 stattfinden kann, ist in den über den Wärme­ speicher 16 führenden Leitungszweig, beispielsweise in die Zweigleitung 20, eine Absperrvorrichtung, etwa in Form einer Drosselklappe 34, einbezogen.

Wird beispielsweise durch eine am Ausgang des Abgas­ sammlers 36 angebrachte Meßsonde 38 ein Betriebszu­ stand ermittelt, bei dem eine weitere Wärmeabgabe vom Wärmetauscher 16 an das Abgas zur Initiierung oder Aufrechterhaltung der Katalysatorwirkung nicht erfor­ derlich ist, kann die Drosselklappe 34 geschlossen und die Drosselklappe 32 geöffnet werden, wobei ein allmählicher Übergang durch die stufenlose Verstell­ barkeit der Drosselklappen 32 und 34 möglich ist. Vorzugsweise wird jedoch der Strömungsweg über den Wärmespeicher erst mit einer so ausreichenden Verzö­ gerung geschlossen, daß der Speicher durch die in­ zwischen Betriebstemperatur aufweisenden Abgase wie­ der geladen werden kann.

Bei Abgastemperaturen oberhalb eines gegebenen Grenz­ wertes sollte der Wärmespeicher 16 nicht mit Abgas beaufschlagt werden, um eine Überhitzung bzw. Schä­ digung des Wärmespeichers 16 zu vermeiden. Auch bei einer hohen Motorbelastung sollte der Wärmetauscher 16 nicht vom Abgas durchströmt werden, weil sich dann sein Druckwiderstand schädlich auswirkt.

Es kann deshalb die Steuerung des Abgasdurchflusses durch den Wärmespeicher 16 auch so getroffen werden, daß diese Strömung nur unterbrochen wird, wenn die Abgastemperatur und/oder die Motorbelastung einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dabei kann diese Steuerbedingung zusätzlich zur Sicherheit vorgesehen sein, oder es kann die einzige Steuerbedingung sein, so daß der Wärmespeicher ständig geladen wird, solan­ ge sich der Abgasfluß über den Wärmespeicher 16 nicht schädlich auswirkt.

Damit unter Startbedingungen mit Brennstoffüberschuß am Motor 10 ausreichend Luft zur Oxydation bereits an den beschichteten Wärmetauscherflächen im Wärmespei­ cher 16 zur Verfügung steht, ist stromauf vom Wärme­ speicher 16 ein Sekundärluftanschluß 40 vorgesehen.

Die durch die Sekundärluft ermöglichte Nachverbren­ nung verkürzt die Zeitspanne zwischen dem Start des Motors und dem Einsetzen der Katalysatorwirkung im Wärmespeicher 16. Außerdem trägt die Reaktionswärme dazu bei, den Katalysator 14 rasch auf die erfoderli­ che Betriebstemperatur zu bringen.

Sofern der Wärmespeicher 16 kein oxydationskatalyti­ sches Material enthält, sollte der Sekundärluftan­ schluß erst vor dem Katalysator 14 angeordnet werden, wie die durch unterbrochene Linien bei 42 angedeutet ist, damit die durch die Sekundärluft ermöglichte Nachverbrennung das Abgas nicht vor dem Wärmetauscher 16 aufheizen und dadurch die Wärmeaufnahme im Wärme­ speicher reduzieren kann, während andererseits diese Aufheizung vor dem Katalysator 12 erwünscht ist.

Die Fig. 2 zeigt eine Variante des Anschlusses des Wärmespeichers 16 an die Abgasleitung 12, durch die die Drosselklappe 34 entfallen kann. Die Abzweigung 26 und die Einmündung 28 liegen sich dabei in der die Achse 44 der Drosselklappe 32 enthaltenden Quer­ schnittsebene der Abgasleitung 12 derart gegenüber, daß ihre gedachte Verbindung diese Achse 44 recht­ winklig schneidet. In der Schließstellung verläuft die Drosselklappe 32 schräg zur Durchflußrichtung der Abgasleitung 12, beispielsweise unter 45°. In der in Fig. 2 gezeigten Schließstellung trennt die Drosselklappe 32 die Abzweigung 26 und die Einmündung 28, so daß das Abgas vollständig über den Wärmetau­ scher 16 geleitet wird. Wird die Drosselklappe 32 geöffnet, besteht kein Druckunterschied zwischen der Abzweigung 26 und der Einmündung 28, so daß keine Strömung über den Wärmespeicher 16 verursacht wird, es sei denn durch die Drosselwirkung bei unvollstän­ dig geöffneter Drosselklappe 32.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 ist in der Abgasleitung 12 zwischen dem Motor 10 und dem Kataly­ sator 14 ein Wärmetauscher 50 angeordnet, der außer­ dem in einen Heizkreislauf 52 einbezogen ist, der über einen Wärmespeicher 54 führt. Der Heizkreislauf enthält außerdem eine Förderpumpe 56 und einen mit einer Belüftung 57 versehenen Speicher 58 für den im Heizkreislauf umlaufenden Wärmeträger.

Beim Betrieb mit einem flüssigen Wärmeträger im Heiz­ kreislauf ist die vertikale Länge der den Isolierbe­ reich 25 durchquerenden Zweigleitungen 20 und 24 jeweils derart bemessen, das sich zwischen dem im Speicher 54 befindlichen heißen Wärmeträger und dem im Heizkreislauf außerhalb des Isolierbereichs 5 befindlichen, sich beim Stillstand der Förderpumpe 56 abkühlenden Wärmeträger eine isolierende Sperrschicht ausbilden kann.

Vorzugsweise sind die vom Abgas beaufschlagten, vom Wärmetransportmedium beheizten und nicht näher darge­ stellten Wärmetauscherflächen im Innneren des Wärme­ tauschers 50 mit oxydationskatalytischem Material beschichtet, so daß im Wärmetauscher 50 ebenso wie es oben für den direkt vom Abgas durchströmten Wärme­ speicher 16 beschrieben ist, eine Oxydation von CO und eine Nachverbrennung der unverbrannten Kohlenwas­ serstoffe bzw. Ruß stattfinden kann, wobei die Reak­ tionswärme zur Temperaturerhöhung im Abgas und damit zu einem frühzeitigen Funktionsbeginn am Katalysator 14 beiträgt.

Für den Luftbedarf sorgt dabei der Sekundärluftan­ schluß 62. Ist der Wärmetauscher 50 ohne oxydations­ katalytische Beschichtung, wird der Sekundärluftan­ schluß zwischen Wärmespeicher 50 und Katalysator 14 angeordnet, wie dies in unterbrochenen Linien bei 62 gezeigt ist.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Variante liegt der Wärmetauscher 50 höher als der Ausgleichsbehälter 58, so daß beim Stillstand der Förderpumpe 56 der fließ­ fähige Wärmeträger unter dem Einfluß der Schwerkraft aus dem Wärmetauscher 50 abfließt, wobei der Pegel­ stand im Ausgleichsbehälter vom Betriebspegel 64 auf den Ruhepegel 66 ansteigt. Weil der Wärmeträger den Wärmetauscher 50 verlassen hat, können für den Wärme­ speicher 54 schädliche hohe Temperaturen nicht auf den Wärmespeicher 54 übertragen werden.

Sobald der Heizkreislauf 52 wieder in Funktion ge­ bracht werden soll, wird die Förderpumpe 56 einge­ schaltet, wodurch der Wärmeträger aus dem Aus­ gleichsbehälter 58 wieder über den Wärmetauscher 50 zum Wärmespeicher 54 befördert wird und dabei entwe­ der im Wärmetauscher 50 Speicherwärme an das Abgas abgibt oder zur Ladung des Wärmespeichers 54 Wärme vom Abgas zum Wärmespeicher 54 transportiert.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Variante liegt der Aus­ gleichsbehälter 58 höher als der Wärmetauscher 50 und zwischen dem Wärmetauscher 50 und dem Wärmespeicher 54 sind in Förderrichtung die Förderpumpe 56 und auf diese folgend eine Rückflußsperre 68 und der Wärme­ speicher 54 angeordnet. In Förderrichtung auf den Wärmespeicher 54 folgend ist zwischen diesem und dem Wärmetauscher 50 ein Absperrventil 70 angeordnet.

Bei dieser Ausführungsform wird der Wärmetauscher 50 durch die Förderpumpe 56 entleert, die den Wärmeträ­ ger nach dem Schließen des Absperrventils 70 in den Ausgleichsbehälter 58 fördert, von wo er durch die Rückflußsperre 68 zwischen Wärmespeicher 54 und För­ derpumpe 56 am Rückfluß gehindert wird. Nach dem Öffnen des Absperrventils 70 strömt der Wärmeträger unter dem Einfluß der Schwerkraft in den Wärmetau­ scher 50. Der Wärmetauscher 50 und der Ausgleichsbe­ hälter 58 sind durch eine Luftausgleichsleitung 72 miteinander verbunden.

Um den Wärmetausch im Wärmespeicher 16 zu intensivie­ ren, kann die Strömungsgeschindigkeit des Abgases längs der Wärmetauscherflächen im Wärmetauscher im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit im Katalysator erhöht werden, indem der Durchflußquerschnitt im Bereich dieser Wärmetauscherflächen reduziert wird.

Um einen rascheren Temperaturanstieg im Abgas zu erhalten, kann außerdem in dem über den Wärmespeicher 16 führenden Strömungsweg eine Drosselstelle angeord­ net werden, die einen Abgasstau am Motor verursacht. Eine solche Drosselstelle kann - wie bei 39 gezeigt - vor dem Wärmespeicher 16, oder - wie bei 41 gezeigt - hinter dem Wärmespeicher 16 angeordnet werden. Es kann aber auch die vorstehend erwähnte Verringerung des Durchflußquerschnitts im Wärmespeicher als Dros­ selstelle dienen.

Claims (31)

1. Verfahren zur katalytischen Behandlung der Abgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Fahrzeugmotoren, bei dem die Verbrennungsabgase stän­ dig einen Katalysator durchfließen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in Betriebszuständen unterhalb einer vorgegebenen Umschaltbedingung, insbesondere bei mäßiger Abgastemperatur und/oder bei niedriger Drehzahl und niedriger Last, die Abgase vor ihrem Eintritt in den Katalysator in einem Vorheizbereich durch einen Wärmespeicher beheizt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abgase in Betriebszuständen mit mäßigen Abgastemperaturen im Vorheizbereich durch einen für hohe Effizienz bei niedrigen Drehzahlen und niedrigen Belastungen ausgelegten Wärmespeicher geleitet und daß beim Eintreten einer vorgegebenen Umschaltbedin­ gung, insbesondere bei hoher Abgastemperatur und/oder bei hoher Belastung oder hoher Drehzahl des Ver­ brennungsmotors, die Abgase unter Umgehung des Wärme­ speichers direkt dem Katalysator zugeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abgase im Vorheizbereich durch einen Wärmetauscher geleitet werden und daß nur in Betriebszuständen mit mäßigen Abgastemperaturen ein Heizkreislauf zwischen dem Wärmetauscher und einem Wärmespeicher aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der im Heizkreislauf umlaufende Wärme­ träger aus dem Wärmetauscher abgezogen wird, wenn der Katalysator die für die Katalysatorwirkung nötige Mindesttemperatur erreicht hat.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Abgasen zwischen dem Vorheizbereich und dem Katalysator Sekundärluft zuge­ führt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der katalytischen Umwandlung an mit oxydationskatalyti­ schem Material beschichteten, vom Abgas bestrichenen Wärmetauscherflächen im Vorheizbereich stattfindet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß den Abgasen vor dem Eintritt in den Vorheizbereich Sekundärluft zugeführt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Abgas zunächst durch einen Wärmespeicher aufgeheizt, dann dem Abgas zur Nachverbrennung Sekundärluft zugeführt und das mit Sekundärluft angereicherte Abgas durch einen kataly­ tisch beschichteten Wärmespeicher geleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beim Eintritt der Umschaltbedingung die Umgehung des Wärmespeichers mit einer der Wiederauf­ ladung des Wärmespeichers dienenden Verzögerung frei­ gegeben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beim Überschreiten einer vorgegebenen Temperaturschwelle der Heizkreislauf unterbrochen wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Verbrennungsmotor (10) und einem in dessen Abgasleitung (12) eingefügten Kataly­ sator (14), dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärme­ speicher (16) wahlweise in die Abgasleitung (12) zwischen Verbrennungsmotor (10) und Katalysator (14) einschaltbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wärmespeicher (16) für hohe Effizienz bei niedriger Belastung und niedrigen Dreh­ zahlen des Verbrennungsmotors ausgelegt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt des Wärmespeichers (16) entlang seiner wärmetauschenden Flächen, zur Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit im Katalysator, reduziert ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem über den Wärmespeicher (16) führenden Strömungsweg eine einen Abgasstau am Motor verursachende Drosselstelle (39; 41) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle durch den reduzierten Querschnitt des Wärmespeichers gebil­ det wird.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (12) zwischen Wärmespeicher (16) und Katalysator (14) mit einem zu- und abschaltbaren Anschluß (42) für Sekun­ därluft versehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der dem Abgas zugeordneten Wärmetauscherfläche des Wärmespeichers (16) mit oxydationskatalytischem Mate­ rial beschichtet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß stromauf vom Wärmespeicher (16) die Abgasleitung (12) mit einem zu- und abschaltbaren Anschluß (40) für Sekundärluft versehen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wärmespeicher zwei parallel angeordnete und gegenläufig vom Abgas durchströmte Kammern (19, 23) aufweist, wobei der Ausgang der ersten und der Eingang der zweiten Kammer durch eine Umlenkkammer (21) verbunden sind, die mit einem Anschluß für Sekundärluft versehen ist, und daß die dem Abgas zugeordnete Wärmetauscherfläche der zweiten Kammer mit oxydationskatalytischem Material beschichtet ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in dem den Wärmespei­ cher (16) umgehenden Abschnitt (30) der Abgasleitung (12) eine zwischen einer geöffneten und einer ge­ schlossenen Stellung beliebig verstellbare Drossel­ klappe (32) angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der über den Wärmespeicher (16) führende Abschnitt (20, 24) der Abgasleitung (12) absperrbar ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abgasleitung (12) eine um eine die Abgasleitung querende Achse (44) verschwenkbare Dros­ selklappe (32) enthält, daß mit der Abgasleitung (12) in einer diese Achse (44) enthaltenden Querschnitts­ ebene der Abgasleitung (12) und in bezug auf diese Achse (44) einander diametral gegenüberliegend zwei Zweigleitungen (20, 24) verbunden sind, deren eine mit der Einmündung (18) in den Wärmespeicher (16) und deren andere mit der Ausmündung (22) aus dem Wärme­ speicher (16) verbunden ist, und daß in der Sperr­ stellung die Drosselklappe (32) derart schräg zur Durchflußrichtung der Abgasleitung (12) verläuft, daß sie die beiden Zweigleitungen (20, 24) voneinander trennt.

23. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 mit einem Verbrennungsmotor (10) und einem in dessen Abgasleitung (12) eingefügten Kataly­ sator (14), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verbrennungsmotor (10) und Katalysator (14) ein Wär­ metauscher (50) angeordnet ist, der über einen einen Wärmeträger enthaltenden Heizkreislauf (52) mit einem Wärmespeicher (54) verbunden ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (16) ein durch Abfallwärme des Verbrennungsmotors (10) ladbarer Wärmespeicher ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Heizkreislauf (52) mit einer wahlweise zu- oder abschaltbaren Förderpumpe (56) versehen ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wärmetauscher (50) höher liegt als ein im Heizkreislauf (52) angeordneter Aus­ gleichsbehälter (58) für den Wärmeträger und daß die Förderpumpe (56) unterhalb des Ruhepegels im Aus­ gleichsbehälter (58) und in Förderrichtung zwischen Ausgleichsbehälter (58) und Wärmetauscher (50) ange­ ordnet ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wärmetauscher (50) tiefer liegt als ein im Heizkreislauf (52) angeordneter Aus­ gleichsbehälter (58) für den Wärmeträger, daß in Förderrichtung zwischen dem Ausgleichsbehälter (58) und dem Wärmetauscher (50) ein Absperrventil (64) angeordnet ist und daß zwischen dem Wärmetauscher (50) und dem Ausgleichsbehälter (58) aufeinanderfol­ gend die Förderpumpe (56), eine Rückflußsperre (66) und der Wärmespeicher (54) angeordnet sind.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (12) zwischen Wärmetauscher (50) und Katalysator (14) mit einem zu- und abschaltbaren Anschluß (58) für Sekun­ därluft versehen ist.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der dem Abgas zugeordneten Wärmetauscherfläche des Wärmetauschers (50) mit oxydationskatalytischem Material beschichtet ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf vom Wärmetauscher (50) die Abgasleitung (12) mit einem zu- und abschaltbaren Anschluß (60) für Sekundärluft versehen ist.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß Einmündung (18) und Ausmündung (22) an der Unterseite des Wärmespeichers über eine zur Ausbildung einer wärmeisolierenden Sperrschicht im Ruhezustand ausreichende vertikale Länge durch dessen Wärmeisolierung geführt sind.