DE4106249C2 - Einrichtung zur katalytischen Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Einrichtung zur katalytischen Reinigung der Abgase einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Die wirkungsvollste Abgasreinigungsmaßnahme bei fremdgezündeten
Brennkraftmaschinen ist der geregelte Dreiwege-Katalysator.
In ihm treten gleichzeitig oxidierende und reduzierende Reaktio
nen mit verschiedenen Abgasbestandteilen auf. Seine Wirksamkeit
bzw. sein Wirkungsgrad wird durch den Konvertierungsgrad angege
ben, der in Prozenten wiedergibt, in welchem Umfang die angeführ
ten chemischen Reaktionen im Katalysator tatsächlich ablaufen.
Dieser Konvertierungsgrad ist temperaturabhängig; damit der
Katalysator seine volle Wirkung erreicht, muß eine auch als
Anspringtemperatur bezeichnete Mindesttemperatur überschritten
sein. Diese demgemäß entscheidend wichtige Temperatur steigt
mit Alterung des Katalysators an; gleichzeitig verschlechtert
sich der maximal erreichbare Konvertierungsgrad.
Während demgemäß dafür gesorgt werden muß, daß die definierte
Mindesttemperatur im Betrieb der Brennkraftmaschine möglichst
schnell auch nach einem Kaltstart erreicht wird, muß andererseits
auch für eine Begrenzung der Temperatur nach oben gesorgt werden,
da zu hohe Temperaturen überproportional den Alterungsvorgang
des Katalysators beschleunigen. Um für eine lange Lebensdauer
einen hohen Konvertierungsgrad des Katalysators sicherzustellen,
muß er demgemäß in einem mit zunehmender Betriebszeit immer
enger werdenden Temperaturbereich, gegeben durch eine im wesent
lichen konstante obere Grenztemperatur und die mit der Zeit
ansteigende Mindesttemperatur, betrieben werden.
Nun treten aber während des normalen Betriebs einer Brennkraft
maschine, insbesondere einer ein Kraftfahrzeug antreibenden
Brennkraftmaschine, große Schwankungen der Abgastemperatur
und damit letztlich der Katalysatortemperatur auf, die zumindest
in bestimmten Betriebsweisen der Brennkraftmaschine den optimalen
Katalysatorbetrieb verhindern.
Die aus der gattungbildenden DE-OS 23 22 057 bekannte Vorrichtung
zum katalytischen Nachverbrennen von Abgasen einer mehrzylindri
gen Brennkraftmaschine trägt dem niedrigen Wärmeinhalt der
Abgase unmittelbar nach einem Kaltstart dadurch Rechnung, daß
jeder der beiden Zylinderbänke abgasseitig ein individueller
Katalysator zugeordnet ist und in Abhängigkeit von Signalen
von Abgastemperaturfühlern bis zum Erreichen einer bestimmten
Abgastemperatur die Abgase beider Zylinderbänke nur über einen
Katalysator geführt werden, so daß sich dieser relativ schnell
erwärmt; erst nach Erreichen einer vorgegebenen Mindesttemperatur
wird auch der zweite Katalysator in den Abgasstrom eingeschaltet.
Dieses Prinzip hat jedoch den Nachteil, daß der zweite Katalysa
tor im Augenblick seines Zuschaltens noch nicht erwärmt worden
ist, er also dann durch die - allerdings nunmehr heißen - Abgase
erst auf seine Anspringtemperatur erhitzt werden muß, so daß
die Abgase ihn für eine kurze Zeitspanne ungereinigt verlassen.
Außerdem muß der nach dem Kaltstart sofort mit Abgas beauf
schlagte erste Katalysator so groß ausgelegt sein, daß er die
Abgase aller Brennräume der Maschine verarbeiten kann, da er
ja eine Zeitlang allein in die Abgasströmung eingeschaltet
ist.
Immerhin berücksichtigt diese bekannte Vorrichtung mit zylinder
bank- oder zylindergruppenindividuellen Abgaskatalysatoren
die sich beim Kaltstart einstellenden Temperaturverhältnisse,
während andere Vorrichtungen mit zylinderbankindividuellen
Katalysatoren und in Strömungsrichtung vor diesen liegenden
Strömungsverbindungen einen Druckausgleich vor den Katalysatoren
(DE-OS 26 13 607) bzw. eine Vergleichmäßigung der Abgaszusammen
setzungen vor beiden Katalysatoren (DE-OS 37 40 238) schaffen
sollen, ohne hierbei speziellen Temperaturverhältnissen Rechnung
zu tragen.
Die DE-AS 14 51 881 beschreibt eine Vorrichtung zum katalytischen
Nachverbrennen von Abgasen einer Brennkraftmaschine, bei der
nach einem Kaltstart zwei in Reihe geschaltete Katalysatoren
von den Abgasen aller Brennräume beaufschlagt werden. Nach
Erwärmung der Abgase wird durch Freigabe eines Bypasses der
den Brennräumen näherliegende und sich demgemäß schneller erwär
mende, kleinere Katalysator aus der Abgasströmung ausgeschaltet
und lediglich der den Brennräumen fernerlegende, größere Kataly
sator zur Abgasreinigung verwendet. Diese bekannte Vorrichtung
verhält sich in zweierlei Hinsicht günstig bezüglich einer
schnellen Abgasreinigung nach einem Kaltstart: Zum einen erwärmen
die Abgase den brennraumnahen, kleineren Katalysator relativ
schnell, und zum anderen erfolgt gleichzeitig durch die diesen
verlassenden heißen Abgase eine Aufheizung des zweiten, größeren
Katalysators, die durch wärmeisolierende Umhüllungen noch be
schleunigt werden kann. Dennoch ist die Zeitspanne bis zu einer
ausreichenden Abgasreinigung relativ groß, und außerdem trägt
diese bekannte Vorrichtung dem Erfordernis der Begrenzung der
Katalysatortemperatur zwecks Verlängerung der Lebensdauer nicht
Rechnung. Sie bietet nämlich keine Möglichkeit zur Begrenzung
der Temperatur der Katalysatoren; insbesondere dann, wenn zwecks
schneller Aufheizung der Katalysatoren diese und Verbindungslei
tungen zwischen ihnen wärmeisoliert ausgebildet sind, geht
dies zu Lasten einer schnellen Alterung der Katalysatoren.
Einseitig, und zwar ausschließlich ausgerichtet auf die Vermei
dung einer Überhitzung der Katalysatoren, ist das Verfahren
nach der DE-OS 34 06 968, gemäß dem zur Sicherstellung einer
optimalen Betriebstemperatur für einen Abgaskatalysator das
Abgas vor diesem in zwei Teilströme geteilt werden, von denen
einer gekühlt und der andere nicht gekühlt wird; die Teilströme
werden vor dem Katalysator unter Einhaltung eines temperaturgege
benen Mengenverhältnisses wieder vereinigt. Zwar wird dann
im Falle eines Kaltstarts der Katalysator ausschließlich mit
dem "warmen" Abgasteilstrom beaufschlagt, nur ist dieser eben
im Falle eines Kaltstarts noch nicht warm.
Nicht viel anders ist die Anordnung zur Abgasführung nach der
DE-OS 23 03 773 zu beurteilen: Hier erfolgt die Zuführung des
Abgases zu einem einzigen Katalysator entweder über eine ther
misch isolierte Abgasleitung oder über eine Kühlschlange, die
dem Fahrtwind ausgeliefert ist oder in der Luftströmung eines
Gebläses liegt. Eine Beschleunigung der Aufheizung des Kataly
sators auf seine Mindesttemperatur bei einem Kaltstart ist
allenfalls durch die Wärmeisolierung des Abgasrohres gegeben.
Eine diesbezüglich aktivere Lösung beschreibt die DE-OS 20 62 500.
Hier passieren die Abgase vor ihrem Eintritt in den Katalysator
eine elektrische Heizung, die vor, während und/oder nach Starten
der Brennkraftmaschine betätigt wird. Diese Vorrichtung benötigt
relativ viel Energie für die Heizeinrichtung, da diese allein
für die Beschleunigung des Aufheizens des einzigen Katalysators
ausgelegt sein muß; außerdem berücksichtigt dieser Stand der
Technik nicht die Notwendigkeit der Begrenzung der Katalysator
temperatur.
Von einem ganz anderen Ansatz geht schließlich die Einrichtung
nach der DE-OS 22 10 031 aus. Bei einem Kaltstart und dem dann
zunächst üblichen Vorliegen des Leerlaufbetriebs der Brennkraft
maschine erfolgt eine Verstellung des Zündzeitpunkts in Richtung
spät sowie zwecks großer Kraftstoffzufuhr zur Maschine die
volle Öffnung der Drosselklappe im Ansaugsystem derselben.
Zwar nimmt durch die zunehmende Spätzündung des den Brennräumen
der Maschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs die von der
Brennkraftmaschine abgegebene Leistung ab, jedoch spielt dies
keine Rolle, solange die für die Aufrechterhaltung des Leerlauf
betriebs erforderliche Erzeugung der Reibleistung der Maschine
gewährleistet ist. Entscheidend ist, daß mit zunehmender Spätzün
dung die Temperatur der Abgase der Maschine ansteigt und die
durch die Verbrennung frei werdende Energie in zunehmendem
Maße in Abgaswärme umgewandelt wird. Ein besonderer Vorteil
dieser bekannten Einrichtung ist also darin zu sehen, daß die
Beschleunigung der Aufheizung des Katalysators nicht durch
Fremdenergie, in einem Kraftfahrzeug also durch die in der
Bordbatterie gespeicherte elektrische Energie, sondern allein
durch Beeinflussung von Betriebsgrößen (Zündzeitpunkt, Drossel
klappenstellung) der Brennkraftmaschine unter sinnvoller Ausnut
zung der ohnehin vorliegenden Betriebsphasen der Maschine er
folgt. Sobald von der Maschine Last abgefordert wird, erfolgt
selbsttätig eine Rückschaltung der Betriebsparameter derselben
auf ihre Werte im normalen Betrieb, insbesondere Fahrbetrieb,
d. h. eine Verstellung des Zündzeitpunkts in Richtung früher
und eine Verringerung der Öffnung der Drosselklappe entsprechend
der Lastanforderung. Nicht berücksichtigt ist bei diesem Stand
der Technik die Forderung nach Begrenzung der Katalysatortempe
ratur, und auch die Aufheizung des Katalysators nach einem
Kaltstart ist schon infolge Verwendung eines einzigen und demge
mäß relativ großen Katalysators noch nicht optimiert.
Wie dieser Überblick über den Stand der Technik auf dem Gebiet
des Betreibens von Abgaskatalysatoren anschaulich zeigt, ist
der Fachwelt die "doppelte" Problematik - schnelles Aufheizen
des Katalysators, aber Begrenzung der Katalysatortemperatur -
seit Jahrzehnten bekannt; es hat auch nicht an Lösungsversuchen
gefehlt, jedoch beziehen diese sich jeweils im wesentlichen
auf einen der beiden Problempunkte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße
Einrichtung so auszubilden, daß einerseits nach einem Kaltstart
der Brennkraftmaschine die Warmlaufzeit, also die Zeit bis
zum Erreichen der Anspringtemperatur der Katalysatoranordnung,
erheblich verkürzt ist, andererseits die Temperatur der Kataly
satoranordnung nach. Erreichen des Mindestwerts im wesentlichen
konstant gehalten wird; weiterhin soll die erfindungsgemäße
Einrichtung die Möglichkeit bieten, das Ansteigen der Anspring
temperatur mit zunehmender Alterung der Katalysatoranordnung
zu berücksichtigen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn
zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Ausbil
dungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
Die Erfindung greift also auch auf aus dem eingangs behandelten
Stand der Technik bekannte Maßnahmen zurück, kombiniert diese
jedoch in sinnvoller Weise so, daß alle in der definierten
Aufgabe enthaltenen Teilaufgaben mit minimaler Fremdenergiezufuhr
und bei minimaler Baugröße der Katalysatoranordnungen gelöst
werden. So ermöglicht die erfindungsgemäße Einrichtung folgenden
Ablauf des Betriebs von Brennkraftmaschine nebst Katalysatoran
ordnungen, ausgehend vom Kaltstart:
Beispielsweise bei Betätigen des Zündschlüssels erfolgt zunächst
das Schließen eines Stromkreises für die elektrische Heizung,
so daß eine Vorheizung der Abgasleitung vor der ersten Katalysa
toranordnung nebst den in diesem Bereich der Abgasleitung enthal
tenen Gasen erfolgt. Die Existenz dieser elektrischen Heizung
trägt der Tatsache Rechnung, daß während des eigentlichen Start
vorgangs der Brennkraftmaschine das Zuführen eines für den
Start optimalen Gemisch und die Einstellung eines für den Start
optimalen Zündzeitpunkts Priorität haben, noch nicht aber die
Abgaszusammensetzung. Selbstverständlich wird man dafür sorgen,
daß die Heizung nur dann eingeschaltet wird, wenn dadurch das
Erreichen einer Startdrehzahl durch den Anlasser nicht verhindert
wird.
Sobald der Hochlauf der Maschine beendet, also die Leerlaufdreh
zahl derselben erreicht ist, werden die Prioritäten anders
gesetzt: Voraussetzung ist selbstverständlich, daß die Leerlauf
drehzahl stabil ist, die Betriebsparameter der Maschine also
nicht so eingestellt werden, daß dieser Wert unterschritten
wird. Die Überwachung der Stabilität der Leerlaufdrehzahl kann
in an sich bekannter Weise über die Laufruhe bzw. Laufunruhe
der Maschine erfolgen. Von dieser Grundvoraussetzung ausgehend
erfolgt nun die Einstellung eines später liegenden Zündzeitpunkts
zur schnellen Erzielung eines hohen Konvertierungsgrads der
ersten Abgaskatalysatoranordnung. Wenn hier von "Katalysator
anordnung" gesprochen wird, soll dadurch zum Ausdruck gebracht
werden, daß in jeder der beiden Abgasleitungen mehrere Kataly
satoren angeordnet sein können, die zusammengefaßt als "Anord
nung" bezeichnet werden. Nach Erreichen der Leerlaufdrehzahl
erfolgt also eine Zurücknahme des Zündzeitpunkts und ggf. eine
Sekundärluftzufuhr zur ersten Katalysatoranordnung, so daß
infolge noch eingeschalteter elektrischer Heizung im Bereich
derselben Oxidationsvorgänge, die eine Vorheizung der der ersten
Katalysatoranordnung zuzuführenden Abgase bewirken, und infolge
des Luftüberschusses eine oxidierende Arbeitsweise der ersten
Katalysatoranordnung hervorgerufen werden, wodurch eine weitere
Beschleunigung der Aufheizung der aus dieser austretenden Abgase
erreicht werden. Dies wiederum führt zu einer Beschleunigung
der Aufheizung der zweiten Katalysatoranordnung, die in Reihe
mit der ersten geschaltet ist.
Die zweite Katalysatoranordnung ist - in Abweichung von der
Lage der ersten Katalysatoranordnung - so weit entfernt von
den wärmeerzeugenden Brennräumen der Brennkraftmaschine angeord
net, daß auch unter ungünstigsten Betriebsbedingungen (Vollast
bei hohen Umgebungstemperaturen) eine Überhitzung der Katalysa
toranordnung ausgeschlossen ist.
Sobald der Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine verlassen,
also dieser Leistung abverlangt wird, erfolgt verständlicherweise
wiederum eine Änderung der Prioritäten: Die Drehzahlstabilität
der Maschine fällt nunmehr weg, und im Vordergrund steht eine
solche Wahl der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, daß
ein optimaler Kraftstoffverbrauch erreicht wird. Dies bedeutet,
ausgehend von den Verhältnissen bei Leerlauf, eine Vorverlegung
des Zündzeitpunkts. Da nunmehr die Abgaskatalysatoren ihre
Anspringtemperatur erreicht haben, ist die elektrische Heizung
abgeschaltet, und durch Überwachung von Temperaturen insbesondere
im Bereich der ersten Katalysatoranordnung wird sichergestellt,
daß eine Überhitzung vermieden ist. Zu diesem Zweck wird die
Abgaskühlleitung freigegeben, die, wie in Unteransprüchen ausge
führt, parallel zur elektrischen Heizung beispielsweise im
Fahrtwind oder in der Luftströmung eines temperaturabhängig
einschaltbaren Gebläses angeordnet sein kann. Diese Kühlleitung
wird man also mit schlechter Wärmeisolation gegen die Umgebung
ausführen.
Alle temperaturgesteuerten Schaltvorgänge sowohl im Bereich
der Brennkraftmaschine (Zündzeitpunkt, Drosselklappenstellung)
als auch im Bereich der Abgasanlage (Heizung, Abgaskühlleitung)
werden durch einen von Signalen von Temperaturfühlern beauf
schlagten Mikroprozessor gesteuert, wie er in Kraftfahrzeugen
zum Motormanagement ohnehin Einsatz findet, so daß Einzelheiten
über ihn nicht mitgeteilt zu werden brauchen. In ihm ist auch
die Katalysator-Anspringtemperatur über der Zeit gespeichert.
Die Erfindung gestattet mithin nicht nur eine Beschleunigung
der Abgasreinigung vorzunehmen, sondern auch während sich an
den Kaltstart anschließender Betriebsphasen der Brennkraftma
schine optimale Verhältnisse für die Abgasreinigung zu schaffen.
So kann beispielsweise die Sekundärluftzufuhr immer dann einge
schaltet werden, wenn CO- und HC-Komponenten im Abgas vorhanden
sind, also außer im Kaltstart auch bei einer Luftzahl kleiner
als 1 und im Schubbetrieb der Maschine.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand
der Zeichnung erläutert, die unter Verzicht auf die Wiedergabe
des üblichen und daher bekannten Aufbaus der Brennkraftmaschine
nur die im Rahmen der Erfindung interessierenden Vorrichtungen
und Einrichtungen zeigt.
Die Brennräume der allgemein bei 1 angedeuteten Brennkraftma
schine sind zu zwei Gruppen, von denen jede die Brennräume
einer Zylinderreihe oder -bank umfassen kann, aber nicht muß,
zusammengefaßt, die abgasseitig mit den beiden Abgasleitun
gen 2 und 3 strömungsmäßig verbunden sind. In jeder der beiden
Abgasleitungen ist eine Katalysatoranordnung 4 bzw. 5 angeordnet.
Auch diese Katalysatoranordnungen haben einen an sich bekannten
Aufbau; es handelt sich um Dreiwege-Katalysatoren. Wie bereits
aus der Zeichnung ersichtlich, ist die zweite Katalysatoranord
nung 5 relativ weit von der im Betrieb heißen Brennkraftma
schine 1 entfernt angeordnet, also der in Strömungsrichtung
vor ihr liegende Bereich der Abgasleitung 3 relativ groß, so
daß sichergestellt ist, daß die Katalysatoranordnung 5 auch
während extremer Betriebsphasen der Brennkraftmaschine (Bergfahrt
im Hochsommer) nicht über ihre obere Grenztemperatur erhitzt
wird. In Strömungsrichtung vor der zweiten Katalysatoranord
nung 5 erkennt man das erste Ventil 6, das in Abhängigkeit
von im Mikroprozessor 7 erzeugten Signalen geöffnet oder geschlos
sen wird.
Ein zweites Ventil 8 liegt in der ersten Abgasleitung 2 in Strö
mungsrichtung hinter der ersten Katalysatoranordnung 4 sowie
hinter der zweiten Strömungsverbindung 9 zwischen den beiden
Abgasleitungen 2 und 3, die ebenso wie die in Strömungsrichtung
vor beiden Katalysatoranordnungen 4 und 5 angeordnete erste
Strömungsverbindung 10 mit einer Wärmeisolation 11 versehen ist.
Zwischen der ersten Strömungsverbindung 10 einerseits und der
ersten Katalysatoranordnung 4 andererseits erkennt man bei 12
eine elektrische Heizung, die den Bereich 13 der ersten Abgas
leitung 2 umgibt und so ausgelegt ist, daß sie bei Einschaltung
eine rasche Aufheizung dieses Leitungsbereichs 13 einschließlich
der in ihm enthaltenen Gase bewirkt.
Parallel zu der Heizung 12 liegt die Abgaskühlleitung 14 mit
dem ihr zugeordneten Ventil 15, das, übrigens entsprechend
der Anordnung des ersten Ventils 6, nahe dem Eingang der zugeord
neten Katalysatoranordnung angeordnet ist, so daß sich in Strö
mungsrichtung vor den Ventilen 6 und 15 gleichsam Speicherräume
für während der ersten Arbeitstakte der Brennkraftmaschine 1
bei einem Kaltstart emittiertes Abgas ergeben.
Die Abgaskühlleitung 14 liegt bei einer ein Kraftfahrzeug antrei
benden Brennkraftmaschine zweckmäßigerweise im Fahrtwind; in
dem gezeichneten Ausführungsbeispiel ist ihr das ebenfalls
temperaturabhängig vom Mikroprozessor 7 her gesteuerte Kühlluft
gebläse 16 zugeordnet.
Mittels des Ventils 17 schließlich ist die Sekundärluftzufuhr 18
steuerbar, die in diesem Ausführungsbeispiel in beide Abgaslei
tungen 2 und 3 einmündet. Im Bereich der ersten Abgasleitung 2
ragt die Einmündung der Sekundärluftzufuhr 18 relativ weit
in Richtung auf die Katalysatoranordnung 4, damit die Sekundär
luftzufuhr möglichst umfassend direkt in den beheizbaren Lei
tungsbereich 13 erfolgt, wo durch Oxidation bei eingeschalteter
Heizung 12 eine Erwärmung der Abgase bereits vor ihrem Eintritt
in die erste Katalysatoranordnung 4 erfolgen soll.
Wie bereits ausgeführt, arbeitet der Mikroprozessor 7 in Abhän
gigkeit von Temperatursignalen, die in Temperatursensoren 19
und 20 bzw. 21 und 22 erzeugt sind, die in den beiden Katalysa
toranordnungen 4 und 5 teils eingangsseitig, teils ausgangssei
tig vorgesehen sind und berücksichtigt das Katalysator-Alterungs
verhalten.
Berücksichtigt man schließlich, daß der Mikroprozessor 7 in
Abhängigkeit von diesen Temperatursignalen auch Ansteuerungs
signale für die allgemein bei 23 angedeutete Zündeinrichtung der
Brennkraftmaschine 1 liefert, ergibt sich folgende Betriebsweise:
Bei Kaltstart wird in Abhängigkeit von den ermittelten Tempera
turwerten beispielsweise bei Betätigung eines Zündschlüssels
in Richtung Starten der Brennkraftmaschine 1 die elektrische
Heizung 12 eingeschaltet, die im Hinblick auf eine schnelle
Aufheizung des Bereichs 13 der ersten Abgasleitung 2 nebst
Gasinhalt dieses Bereichs ausgelegt ist. Durch die beschriebene
Lage der Ventile 6 und 15 relativ nahe an den Eingängen der
beiden Katalysatoranordnungen 4 und 5 wird zumindest ein großer
Teil der während der ersten Arbeitstakte der Brennkraftmaschine 1
emittierten Abgase gleichsam gespeichert, bis die während des
Kaltstarts geschlossenen (d. h. in Absperrstellung befindlichen)
Ventile 6 und 15 geöffnet werden. Während des Kaltstartvorgangs
wird die der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoffmenge
so bemessen, daß sich die Luftzahl kleiner als 1 einstellt,
außerdem wird ein für den Startvorgang optimaler, relativ früher
Zündzeitpunkt eingestellt. Die Zeitspanne bis zum Erreichen
der Leerlaufdrehzahl, d. h. während des Hochlaufs der Maschine,
wird für die Aufheizung der der ersten Katalysatoranordnung 4
zuzuführenden Abgase durch den Betrieb der elektrischen Hei
zung 12 gleichsam überbrückt.
Sobald die Maschine 1 die Leerlaufdrehzahl erreicht hat, werden
ihre Betriebsparameter - selbstverständlich unter Überwachung
der Stabilität der Leerlaufdrehzahl - so verändert, daß ein
hoher Konvertierungsgrad der Katalysatoranordnungen 4 und 5
im Vordergrund steht. Dazu wird durch entsprechende Signale
des Mikroprozessors 7 zur Zündeinrichtung 23 der Maschine 1
der Zündzeitpunkt zurückgenommen, so daß zwar der Maschine
keine Leistung abverlangt werden kann (echter Leerlaufbetrieb),
aber die Maschine heiße Abgase emittiert, deren CO- und HC-Kom
ponenten in dem beheizten Leitungsbereich 13 oxidiert werden,
wodurch eine weitere Erhitzung der der ersten Katalysatoranord
nung 4 zuzuführenden Abgase auftritt. Auch in der Katalysatoran
ordnung 4 macht sich der Luftüberschuß infolge der Sekundärluft
zufuhr 18 hinsichtlich einer Oxidation der Abgasbestandteile
bemerkbar, so daß die infolge geschlossenen Zustands des zweiten
Ventils 8 über die zweite Strömungsverbindung 9 der zweiten
Katalysatoranordnung 5 zugeführten Abgase eine hohe Temperatur
besitzen und diese Katalysatoranordnung schnell aufheizen.
Sofern die Brennkraftmaschine längere Zeit im Leerlauf betrieben
wird, arbeitet insbesondere der Mikroprozessor 7 so, daß nach
Erreichen der Anspringtemperatur in beiden Katalysatoranordnungen
4 und 5 die Priorität der Steuerung bzw. Regelung auf niedrigen
Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine gesetzt wird. Selbst
verständlich wird nach Erreichen der Anspringtemperatur zumindest
der ersten Katalysatoranordnung 4 die elektrische Heizung 12
abgeschaltet, und zur Erzielung verbrauchsoptimalen Betriebs
der Brennkraftmaschine, sei es bei längerem Leerlaufbetrieb,
sei es bei Lastforderung, erfolgt eine entsprechende Vorverlegung
des Zündzeitpunkts. Die Sekundärluftzufuhr 18 wird durch Betäti
gen des ihr zugeordneten Ventils 17 abgeschaltet; sie kann
jedoch im Schubbetrieb oder immer dann, wenn CO- und HC-Komponen
ten im Abgas vorhanden sind, wieder eingeschaltet werden.
Eine Überhitzung der zweiten Katalysatoranordnung 5 ist in
aller Regel schon dadurch vermieden, daß sie relativ weit ent
fernt von den wärmeerzeugenden Brennräumen der Brennkraftma
schine 1 angeordnet ist. Im übrigen wird eine Überhitzung insbe
sondere der ersten Katalysatoranordnung 4 durch Einschalten
der Abgaskühlleitung 14 durch entsprechende Betätigung des
Ventils 15 verhindert. Ventil 15 kann temperaturabhängig, aber
auch lastabhängig öffnen, damit eine schnelle Kühlwirkung und
große Strömungsquerschnitte bei plötzlichen Vergrößerungen
der Lastanforderung sichergestellt werden. Sobald dieses Ventil
durchgeschaltet wird, gelangen die in der - einen größeren
Querschnitt als der Leitungsbereich 13 besitzenden - Kühllei
tung 14 "gespeicherten" kühlen Abgase in die Katalysatoranord
nung 4; infolge der Querschnittsverhältnisse kommen auch die
neu emittierten Abgase erst nach Kühlung in der Leitung 14
in die Katalysatoranordnung 4.
Verständlicherweise ist jetzt auch das erste Ventil 6 geöffnet,
so daß die zweite Katalysatoranordnung 5 direkt über den in
Strömungsrichtung vor ihr liegenden Bereich der zweiten Abgaslei
tung 3 mit Abgas aus den ihr zugeordneten Brennräumen beauf
schlagt wird.
Die zweite Strömungsverbindung 9 wird durch Öffnen des zweiten
Ventils 8 weitgehend wirkungslos gemacht, so daß jetzt jede
der beiden Katalysatoranordnungen 4 und 5, von denen die erste
gleichsam auch als "Startkatalysator" zu bezeichnen ist, wirksam
sind.
Wie auch diese Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zeigt,
liegen im kalten Zustand beide Katalysatoren in Reihe mit den
Abgasausgängen aller Brennräume, während nach Erreichen der
Anspringtemperatur jede der beiden Katalysatoranordnungen nur
mit den Abgasen der ihr zugeordneten Brennraumgruppe beaufschlagt
ist. Das bedeutet, daß die einzelnen Katalysatoranordnungen
nicht im Hinblick auf die Verarbeitung der gesamten, von der
Maschine maximal emittierten Abgasmenge bemessen sein müssen.
Mit der Erfindung ist demgemäß eine gattungsgemäße Einrichtung
geschaffen, die bei minimalem Aufwand insbesondere an Fremdener
gie eine optimale Betriebsweise der Abgasreinigungseinrichtung
einer Brennkraftmaschine sicherstellt.
Claims (14)
1. Einrichtung zur katalytischen Reinigung der Abgase einer
mehrere Brennräume aufweisenden Brennkraftmaschine, insbeson
dere der Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit zwei
zumindest je einem Brennraum zugeordneten, mit Katalysatoran
ordnungen bestückten Abgasleitungen, zwischen denen sich
in Abgasströmungsrichtung vor den Katalysatoranordnungen
eine erste Strömungsverbindung erstreckt und denen in Abhän
gigkeit von Temperaturen im Bereich zumindest einer der
Katalysatoranordnungen betätigte Ventile zur Änderung der
Abgasbeaufschlagung der Katalysatoranordnungen zugeord
net sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste (2) der
beiden Abgasleitungen (2, 3) in Strömungsrichtung zwischen
der in ihr brennraumnah liegenden ersten Katalysatoranord
nung (4) und der ersten Strömungsverbindung (10) mit einer
elektrischen Heizung (12) zur Aufheizung kalter Abgase
auf eine zur Oxidation von Abgasbestandteilen geeignete
Temperatur sowie mit einer Abgaskühlleitung (14) versehen
ist, daß ferner die in der zweiten Abgasleitung (3) liegende
zweite Katalysatoranordnung (5) derart brennraumfern angeord
net ist, daß das Auftreten kritischer Temperaturen in ihr
vermieden ist, daß sich weiterhin zwischen dem Ausgang
der ersten Katalysatoranordnung (4) und dem Eingang der
zweiten Katalysatoranordnung (5) eine zweite Strömungsver
bindung (9) erstreckt, und daß die Ventile (6, 8) derart
angeordnet und, angesteuert sind, daß bei unterhalb der
Anspringtemperatur liegender Temperatur in der zweiten
Katalysatoranordnung eine Strömungsreihenschaltung beider
Katalysatoranordnungen (4, 5) und der Heizung (12) vorliegt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel
zur Unterstützung des Oxidationsvorgangs.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Verlegung
des Zündzeitpunkts in der Maschine (1) in Richtung später
nach Erreichen der Leerlaufdrehzahl im lastfreien Betrieb.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Sekundär
luftzufuhr (18) in Strömungsrichtung vor der ersten Katalysa
toranordnung (4) nach Erreichen der Leerlaufdrehzahl im
lastfreien Betrieb der Maschine (1).
5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Sekundär
luftzufuhr (18) in Strömungsrichtung unmittelbar vor der
Heizung (12).
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet
durch wärmeisolierende Ausbildung (11) der ersten und/oder
zweiten Strömungsverbindung (9, 10).
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein erstes Ventil (6) in Strömungsrichtung
unmittelbar vor der zweiten Strömungsverbindung (9) in
der zweiten Abgasleitung (3) liegt und der davor befindliche
Bereich derselben einen Speicher für vor Erreichen der
Leerlaufdrehzahl emittiertes Abgas bildet.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das erste Ventil (6) nur bei Vorliegen der Anspringtempe
ratur der zweiten Katalysatoranordnung (5) geöffnet ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein nur bei geöffnetem ersten Ventil (6)
geöffnetes zweites Ventil (8) in Strömungsrichtung hinter
der zweiten Strömungsverbindung (9) in der ersten Abgaslei
tung (2) liegt.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abgaskühlleitung (14) als Bypassleitung
zu einem mit der Heizung (12) versehenen Bereich (13) der
ersten Abgasleitung (2) verläuft, nahe ihrer strömungsabwär
tigen Einmündung in diese mit einem in Abhängigkeit von
Temperaturen im Bereich der ersten Katalysatoranordnung (4)
betätigten Ventil (15) bestückt ist und ihr davor befindli
cher Bereich einen Speicher für vor Erreichen der Leerlauf
drehzahl emittiertes Abgas bildet.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß im Bereich der Katalysatoranordnungen
(4, 5) Temperaturfühler (19, 20; 21, 22) an Stellen angeord
net sind, die im Betrieb der jeweiligen Katalysatoranordnung
vom Konvertierungsgrad abhängige unterschiedliche Temperatu
ren annehmen, und daß die Ventile (6, 8, 15) mit dem Ziel
der Einstellung eines vorgegebenen Konvertierungsgrades
betätigt werden.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß vor dem Starten der kalten Maschine
alle Ventile (6, 8, 15) geschlossen sind.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel (7) zur Regelung auf konstante
Ausgangstemperatur der ersten Katalysatoranordnung (4)
im Lastbetrieb der Maschine (1) vorgesehen sind.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Katalysatoranordnung (4)
für die Abgasemission aller Brennräume im Leerlaufbetrieb
ausgelegt ist, dagegen beide Katalysatoranordnungen (4, 5)
zusammen für die Abgasemission aller Brennräume im Vollastbe
trieb der Maschine (1) ausgelegt sind.
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