DE4205496C1

DE4205496C1 -

Info

Publication number: DE4205496C1
Application number: DE4205496A
Authority: DE
Inventors: Wolf Dr. 7056 Weinstadt De Boll; Karl-Heinz Dipl.-Ing. 7300 Esslingen De Kempka; Reinhard Dipl.-Ing. Steinkaemper; Karl Dipl.-Ing. 7057 Winnenden De Zeilinger
Original assignee: Mercedes Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1992-02-22
Filing date: 1992-02-22
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2012-02-23
Also published as: US5277026A

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftma schine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der EP 04 17 412 A2 ist eine gattungsgemäße Abgasanlage be kannt, in der zusätzlich zu einem Hauptkatalysator in jeder Ab gasleitung ein motornaher Startkatalysator in einem die Abgas leitung umschließenden Ringkanal angeordnet ist. Bei geringen Abgastemperaturen wird das Abgasrohr im Bereich des Ringkanales durch eine Schließklappe verschlossen, wodurch die Abgase über den sehr schnell anspringenden Startkatalysator strömen. An dieser Einrichtung ist es nachteilig, daß einerseits der stromab angeordnete Hauptkatalysator eine relativ lange Vor wärmphase bis zum Erreichen der Betriebstemperatur benötigt und andererseits der Startkatalysator und die Schließklappe sehr hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, in einer gattungsgemäße Ab gasanlage mit mindestens einem motornah angeordneten Startkata lysator und einem motorfern angeordneten Hauptkatalysator den Startkatalysator bei hohen Abgastemperaturen thermisch zu ent lasten, aber dem Hauptkatalysator die Abgase mit einem mög lichst hohen Temperaturniveau zuzuführen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merk malen des Patentanspruches 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kenn zeichnen.

Mit der erfindungsgemäßen Abgasanlage wird einerseits erreicht, daß aufgrund der Isolation der Hauptabgasleitung durch die By paßleitung eine maximale Temperatur in dem relativ weit stromab angeordneten Hauptkatalysator realisiert werden kann. Anderer seits wird die in der Bypaßleitung zurückströmende geringe Ab gasmenge ausreichend stark gekühlt, so daß der Startkatalysator durch die zurückströmende Abgasmenge wirkungsvoll vor Über hitzung geschützt ist.

Die konzentrische Anordnung der Rohrführung von Hauptabgaslei tung und Bypaßleitung ist im Hinblick auf den oftmals beengten Einbauraum eine besonders kleinbauende Ausführung mit einer re lativ geringen Wärmeabstrahlung.

Nachfolgend werden mehrere, in den Zeichnungen schematisch dar gestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 bis 4 Ausführungsbeispiele der Erfindung;

Fig. 5 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Details des Ausführungsbeispieles nach Fig. 2.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist eine mit dem Bezugs zeichen 1 bezeichnete und über einen Abgaskrümmer 2 an eine nicht dargestellte mehrzylindrige Brennkraftmaschine ange flanschte, einflutige Abgasanlage dargestellt. Unmittelbar an den Abgaskrümmer 2 schließt sich ein als Rohrleitungsejektor 3 ausgebildeter Abschnitt 3 einer Abgasleitung 5 an. Dieser in einem Gehäuse 6 angeordnete Rohrleitungsejektor 3 besteht aus einer anströmseitig in das Gehäuse 6 hineinragenden und vom Ab gas durchströmten Ausströmdüse 7 und einer der Ausströmdüse 8 stromabseitig gegenüberliegenden, trichterförmig ausgebildeten Einströmöffnung 8, an die sich stromab weiterführend die Abgas leitung 5 fortsetzt. Ein zwischen Ausströmdüse 7 und Einström öffnung 8 bestehender Ringspalt 9 bildet einen offenen Durch gang in einen durch das Gehäuse 6 eingegrenzten und den Rohr leitungsejektor 3 umgebenden Saugraum 10. Das konzentrisch um die Abgasleitung 5 angeordnete Gehäuse 6 verlängert sich strom ab und nimmt in seinem kreisringförmigen Querschnitt einen Startkatalysator 11 auf, dessen Katalysatorkörper 12 von einem Leitungsabschnitt 13 der Abgasleitung 5 zentrisch durchdrungen ist.

Stromab des Startkatalysators 11 verjüngt sich das Gehäuse 6 zu einem die Abgasleitung 5 zentrisch umgebenden Außenrohr 14, wo bei zwischen der Abgasleitung 5 und dem Außenrohr 14 ein Ab stand "a" eingehalten ist. Zur Sicherung dieses Abstandes "a" können an geeigneten Stellen längsdurchströmbare Einlagekörper 15 zwischen Abgasleitung 5 und Außenrohr 14 eingebracht sein. Der sich zwischen den der Abgasleitung 5 und dem Außenrohr 14 ergebende kreisringförmige Zwischenraum stellt einen in Längs richtung durchströmbaren Querschnitt dar, welcher eine Bypaß leitung 16 zur inneren Abgasleitung 5 bildet. Die zueinander konzentrische Anordnung der Leitungen 5, 16 setzt sich stromab bis vor den Bereich einer Abgassteuerklappe 17 fort, mittels der die Abgasleitung 5 verschließbar ist. In diesem Bereich ist die Bypaßleitung 16 als eigenständige Rohrleitung 18 in einem Bogen um die Abgassteuerklappe 17 herumgeführt und mündet zwi schen Abgassteuerklappe 17 und einem stromab der Abgassteuer klappe 17 angeordneten, nicht dargestellten Hauptkatalysators in die Abgasleitung 5 ein. Während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine bzw. bei relativ kalten Abgasen infolge längeren Motorschiebebetriebes ist die Abgassteuerklappe 17 in der Ab gasleitung 5 geschlossen. Die Abgase werden gezwungen nach dem Durchströmen der Ausströmdüse 7 durch den Ringspalt 9 in den Saugraum 10 einzutreten und den Startkatalysator 11 zu durch strömen. Infolge der Motornähe und des relativ geringen Volu mens des Startkatalysators 11 wird dieser durch die sich zu nehmend erwärmenden Abgase sehr schnell auf Betriebstemperatur gebracht, so daß die Katalysatorwirkung bereits nach sehr kur zer Betriebsdauer einsetzt. Nach dem Startkatalysator 11 durch strömen die Abgase die Bypaßleitung 16 und münden stromab der Abgassteuerklappe 17 in die in den Hauptkatalysator führende Abgasleitung 5. Der Strömungsverlauf bei geschlossener Abgas steuerklappe 17 während der Warmlaufphase der Brennkraftma schine ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 durch Richtungs pfeile gekennzeichnet.

Die Temperatur in dem von den Abgasen ständig durchströmten Hauptkatalysators liegt während der Warmlaufphase noch unter halb der Betriebstemperatur. Beim Erreichen dieser Betriebstem peratur wird die Abgassteuerklappe 17 geöffnet und der Haupt strom der Abgase durchströmt die Abgasleitung 5. Der Hauptstrom der Abgase gelangt dabei in den Hauptkatalysator ohne über die Bypaßleitung 16 bzw. den Startkatalysator 11 zu strömen. Beim Durchströmen des Abschnittes 4 zwischen Ausströmdüse 7 und Ein strömöffnung 8 bewirken die Abgase eine Ejektorwirkung in dem Ringspalt 9, wodurch sich ein relativer Unterdruck im Saugraum 10 einstellt. In der Folge dieses Unterdruckes wird eine Teil menge der Abgase über die Bypaßleitung 16 entgegen der Strö mungsrichtung in der Abgasleitung 5 in den Saugraum 10 zurück gesaugt. Diese Teilmenge passiert dabei den Startkatalysator 11 in umgekehrter Strömungsrichtung und strömt über den Ringspalt 9 in die Abgasleitung 5 zurück. Dieser Strömungsverlauf ist in Fig. 1 und 4 durch Richtungspfeile gekennzeichnet.

Mit dieser, anhand des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 be schrieben Anordnung wird einerseits erreicht, daß die innen liegende Abgasleitung 5 durch die außenliegende Bypaßleitung 16 abgeschirmt und damit zur Umgebungstemperatur wärmeisoliert verläuft und so eine maximale Temperatur in dem relativ weit stromab angeordneten Hauptkatalysator realisiert werden kann. Andererseits wird die in der Bypaßleitung 16 zurückströmende geringe Abgasmenge durch die direkte Wärmeabgabe an die Umge bung ausreichend stark abgekühlt, so daß die zurückströmenden Abgase den Startkatalysators 11 wirkungsvoll vor Überhitzung schützen.

Die konzentrische Anordnung der Rohrführung von Abgasleitung 5 und Bypaßleitung 16 ist im Hinblick auf die oftmals beengten Platzverhältnisse eine besonders kleinbauende Ausführung mit einer relativ geringen Wärmeabstrahlung.

Zur Verstärkung der Kühlung der zum Startkatalysator 11 zu rückgeführten Abgase kann die Oberfläche der Bypaßleitung 16 durch eine gewellte Ausführung oder durch eine Verrippung ver größert werden.

In einem weiteren, in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung an einer mehrflu tigen Abgasanlage 19 dargestellt. In dieser Abgasanlage 19 ist jede Abgasflut 20 mit einem motornahen Startkatalysator 11 und einer Leitungsführung wie in der einflutigen Abgasanlage 1 nach Fig. 1 aufgebaut.

Zum Kompensation der Dehnungsunterschiede der thermisch unter schiedlich belasteten Rohre können wie in Fig. 2 dargestellt, an geeigneten Stellen Schiebesitze 25 oder andere spannungsab bauende Bauteile, z. B. flexible Leitungsabschnitte angeordnet sein.

Die Zusammenführung der getrennt verlaufenden Abgasfluten 20 vor dem Hauptkatalysator kann in einem in Fig. 5 näher darge stellten Formteil 21 erfolgen. Dieses Formteil 21 beinhaltet weiterhin die unmittelbar stromab der Zusammenführung der Ab gasfluten 20 angeordnete Abgassteuerklappe 17 sowie die nach folgende Einmündung 22 der koaxial zur Abgasleitung 5 verlau fenden Bypaßleitung 16 in die Abgasleitung 5, wobei die Wandung der innenliegenden Abgasleitung 5 an dieser Einmündung 22 endet und das bis dahin als Bypaßleitung 16 dienende äußere Rohr als Abgasleitung 5 bis zum Anschluß an den Hauptkatalysator weiter geführt wird.

Die Einmündung 22 der Bypaßleitung 16 in die Abgasleitung 5 kann entsprechend der Darstellung in Fig. 5 so gestaltet sein, daß zur Vergrößerung der bei betriebswarmen Hauptkatalysator, d. h. bei offener Abgassteuerklappe 17 über die Bypaßleitung 16 zurückströmende Abgasmenge spezielle strömungsdynamische Effek te eintreten. Dazu erweitert sich einerseits ein Endstück 23 der Abgasleitung 5 vor der Einmündung 22 der Bypaßleitung 16 diffusorartig, so daß an der Einmündung 22 in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit ein relativ hoher statischer Druck vorliegt. Außerdem erfolgt in der Abgasleitung 5 unmittelbar stromab der Einmündung 22 der Bypaßleitung 16 eine stufenför mige Einschnürung 24, welche druckerhöhende Abgaswirbel im Be reich der Einmündung 22 der Bypaßleitung 16 bewirkt und dadurch die Rückströmung von Abgas in Richtung Startkatalysator 11 un terstützt.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Abgasanlage 26 dar gestellt, in der die Abgasleitung 5 und ein Bypaßrohr 27 ge trennt voneinander geführt sind, wobei sich das Prinzip der Abgasführung nicht von der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beschriebenen Abgasführung unterscheidet.

Die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte getrennte Rohr führung führt zu einer größeren Wärmeabstrahlung der Abgasan lage 26 und damit zu einer verminderten Wärmezuleitung zum Hauptkatalysator sowie zu einer weiteren Verminderung der thermischen Belastung des Startkatalysators 11 infolge der re lativ starken Abkühlung der zum Startkatalysator 11 zurückge führten Abgasmenge. Weitere Ausführungsvarianten z. B. mit an einanderliegender Rohrführung sind gleichermaßen möglich.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Ab gaskrümmer 28 in einer erfindungsgemäßen Bauart, in der unmit telbar an jeden Auslaßkanal 29 der Brennkraftmaschine jeweils ein Rohrleitungsejektor 3 und ein Startkatalysator 11 angeord net ist, wobei die Ausströmdüsen 7 unmittelbar an die Auslaß kanäle 29 angrenzen und die den Ausströmdüsen 7 mit dem Abstand des Ringspaltes 9 gegenüber angeordneten Einströmöffnungen 8 als Abgasstutzen 30 weitergeführt sind. Diese von den Startka talysatoren 11 umgebenen Abgasstutzen 30 münden in ein gemein sames Sammelrohr 31, an welches die nicht dargestellte, weiter führende Abgasleitung 5 angeflanscht ist. Wie in den anderen Ausführungsbeispielen grenzt jeder Startkatalysator 11 unmit telbar an den Rohrleitungsejektor 3 an und ist damit in diesem Ausführungsbeispiel in unmittelbarer Nähe zur Brennkraftma schine angeordnet und deshalb schnell auf Betriebstemperatur aufgeheizt. Für die Heranführung der Bypaßleitung 16 an die Startkatalysatoren 11 ist der Abgaskrümmer 28 doppelwandig aus geführt, wobei sich diese doppelwandige Bauweise mindestens bis zu der nicht dargestellten mit Abstand von den Startkatalysato ren 11 im Verlauf der Abgasleitung 5 angeordneten Abgassteuer klappe 17 fortsetzt. Zum Schutz der Startkatalysatoren 11 gegen die extreme Temperatureinwirkung der die Startkatalysatoren 11 durchragenden, sehr heißen Abgasstutzens 30 kann zwischen die sen Bauteilen eine Isolierschicht 32 aus einem hitzebeständigen Material angeordnet sein.

Die Einzelmerkmale der getrennt dargestellten Ausführungsbei spiele der Erfindung können in zweckmäßiger Weise unter Beach tung der konkreten Bedingungen und in Abhängigkeit vom jewei ligen Anwendungsfall beliebig untereinander kombiniert werden.

Claims

1. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einer Abgaslei tung, mit mindestens einem motorfern angeordneten Hauptkataly sator und mindestens einem motornah angeordneten und von einem Leitungsabschnitt der Abgasleitung durchdrungenen Startkataly sator, dessen Katalysatorkörper von einer stromab des Kataly satorkörpers in die Abgasleitung einmündenden Bypaßleitung durchströmbar ist, wobei der den Startkatalysator durch dringende Leitungsabschnitt von der Bypaßleitung umgangen ist und wobei der Abgasstrom mittels einer in der Abgasleitung an geordneten Steuerklappe in die Bypaßleitung steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein in einen Startkatalysator (11) einmündender Ab schnitt (4) der Abgasleitung (5) als Rohrleitungsejektor (3) ausgebildet ist, daß sich die Bypaßleitung (16) zur Durchströ mung des Katalysatorkörpers (12) von einem Saugraum (10) des Rohrleitungsejektors (3) bis zu einer mit einem Abstand vom Startkatalysator (11) angeordneten Einmündung in die Abgaslei tung (5) erstreckt.

2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrleitungsejektor (3) aus einer anströmseitig in das Gehäuse (6) des Startkatalysators (11) vorstehenden Ausström düse (7) und einer trichterförmig ausgebildeten Einströmöffnung (8) gebildet ist, wobei zwischen Ausströmdüse (7) und Einström öffnung (8) ein durchströmbarer Ringspalt (9) angeordnet ist.

3. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung (16) und die Abgasleitung (5) stromab des Startkatalysators (11) im wesentlichen parallel zueinander ver laufen.

4. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung (16) stromab des Startkatalysators (11) die Abgasleitung (5) konzentrisch umgibt.

5. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgassteuerklappe (17) in der Abgasleitung (5) mit ei nem Abstand vom Startkatalysator (11) angeordnet ist.

6. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung (16) die in der Abgasleitung (5) angeord nete Abgassteuerklappe (17) mittels einer bogenförmigen Rohr leitung (18) umgeht.

7. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung (16) zur Verbesserung der Wärmeabstrahlung mit einer vergrößerten Oberfläche versehen ist.

8. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation von Spannungen in thermisch unterschied lich belasteten Rohrleitungen spannungsausgleichende Rohrlei tungsteile angeordnet sind.

9. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (23) der Abgasleitung (5) vor der Einmündung (22) der Bypaßleitung (16) in die Abgasleitung (5) diffusorar tig erweitert ausgeführt ist.

10. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (5) unmittelbar stromab der Einmündung (22) eine stufenförmige Einschnürung (24) angeordnet ist.