DE4325004C2 - Abgasreinigungsanlage zum Regeln bzw. Steuern des Gasdurchströmvolumens von Abgasreaktoren, insbesondere zur Reinigung der Abgase aus Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abgasreinigungsanlage zum Regeln bzw. Steuern des Gasdurchströmvolumens von Abgasreaktoren, insbesondere zur Reinigung der Abgase aus Brennkraftmaschinen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage zum Regeln bzw. Steuern des Gasdurchströmvolumens von Abgasreaktoren, insbesondere zur Reinigung der Abgase aus Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Abgasreinigungsanlage der gattungsgemäßen Art ist durch die DE-34 44 167 C2 bekanntgeworden, in der jedoch das Volumen des Abgasreinigers nicht auf die in den unterschiedlichen Betriebsbereichen einer Brenn­ kraftmaschine jeweils anfallenden Abgasmassen eingeregelt werden kann.
Aus der DE-42 22 162 A1 ist es bekannt, das Abgasvolumen in Abhängigkeit der Temperatur der Abgase vor dem Abgasreiniger zu steuern; eine Regelung des Abgasgegendruckes und des Volumens in Abhängigkeit des Abgasdruckes und der Abgastemperatur im Bereich der Anlage ist hiermit jedoch nur begrenzt möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regeneration eines Ruß­ filters und die Wirksamkeit eines Katalysator innerhalb einer Abgasrei­ nigungsanlage der genannten Gattung so zu gestalten, daß der Energie­ verbrauch zur Regeneration des Rußfilters erheblich gesenkt und dabei der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine während des Betriebes im Mittel nicht verschlechtert wird, wobei ebenfalls der konstruktive Aufwand ver­ ringert werden soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt den Vorteil, daß der Energie­ verbrauch zur Regeneration des Rußfilters bzw. des Katalysators einer derartigen Abgasreinigungsanlage erheblich gesenkt werden kann, wobei der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine während des Betriebes im Mittel nicht verschlechtert wird. Ebenfalls ist der konstruktive Aufwand der Abgasreinigungsanlage gegenüber vergleichbaren Abgasreinigungs­ anlagen des Standes der Technik verringert. Aufgrund des einfachen Aufbaus der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage kann dieselbe auch in bestehende Abgassysteme mit Katalysator oder Filter nachgerüstet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Veränderung des Gasdurchtrittvolumens eines Filters oder eines Katalysators ist gleicher­ maßen für Dieselfahrzeuge mit Rußfilter, als auch für Benzinfahrzeuge mit Katalysatortechnik geeignet. Durch die Erfindung werden insbesondere in der Kaltstartphase die Leerlaufeigenschaften einer Verbrennungs­ kraftmaschine nicht beeinflußt.
Die Figur der Zeichnung zeigt eine Abgasreinigungsanlage mit einer am Eingang eines Rußfilters angeordneten, federgesteuerten Abgasklappe, deren Regelung mit einem Thermostaten temperaturabhängig erfolgt, wobei der Rußfilter dem Bewegungsablauf der Klappe geometrisch angepaßt ist und eine elektrische Rußfilterheizung nur den gasdurch­ strömten Teil des Rußfilters beheizt.
Die Figur zeigt eine Abgasreinigungsanlage 4 mit einer am Eingang eines Rußfilters 3 angeordneten, mittels einer Feder 6 federgesteuerten Abgas­ klappe 1, die mittels eines Lagers 2 innerhalb der Abgasreinigungsanlage 4 geeignet drehbar gelagert und die in Richtung der Pfeile verschwenkbar und Teil eines Regelsystems ist. Das Regelsystem umfaßt des weiteren einen Thermostaten 8, der die Steuerung bzw. Regelung der Abgasklappe 1 erfaßt und bewerkstelligt sowie eine, vorzugsweise elektrisch betriebene, Rußfilterheizung 13 zur Aufheizung des Rußfilters 3 und Abbrennen des Rußes. Die Steuerung bzw. Regelung der Abgasklappe 1 kann mittels des Thermostaten 8 druck- und/oder temperaturabhängig mehr oder weniger aufgehoben werden. Am Thermostaten 8 greift eine verschieblich angeordnete Arbeitsstange 9 an, mittels derselben die Bewegung auf einen Verbindungshebel 5 übertragen werden kann, der seinerseits mit der Abgasklappe 1 in Verbindung steht und diese um das Lager 2 zu schwenken imstande ist. Die Feder 6 kann eine Druck- oder Zugfeder sein, die die Arbeitsstange 9 umgreift und die an ihren Enden Befestigungslager 7 aufweist, wobei die Feder 6 ebenfalls eine Longitudinalbewegung auf den Verbindungshebel 5 zu übertragen imstande ist.
Der Rußfilter 3 ist hier dem Bewegungsablauf der Abgasklappe 1 geomet­ risch angepaßt, beispielsweise in der Projektion kreisförmig; die Ruß­ filterheizung 13 beheizt nur den gasdurchströmten Teil des Rußfilters 3.
Die geometrische Anpassung des Bewegungsverlaufes der Abgasklappe kann gleichermaßen in der Filter- wie auch Katalysatortechnik eingesetzt werden, so daß damit in Abhängigkeit der Temperatur der Abgase und/oder des Abgas-Gegendruckes die freie Gasdurchtrittsfläche eines Filters oder eines Katalysators gesteuert bzw. geregelt werden kann.
Eine weitere elektrische Heizung 11, die die Reglerheizung darstellt, ist dergestalt angeordnet, daß sie den Thermostaten 8 zu erhitzen imstande ist, wobei die Heizung 11 druckabhängig durch ein vor dem Rußfilter 3 angeordnetes Druckmeßglied 10 sowie temperaturabhängig ebenfalls durch ein Temperaturmeßglied 10′ ein- bzw. ausgeschaltet werden kann, welches ebenfalls vorzugsweise vor dem Rußfilter 3 angeordnet ist. Die Ruß­ filterheizung 13 wird gleichermaßen von den Meßgliedern 10-10′ aktiviert, wobei eine elektronische Rechenheit 12 das Zusammenwirken des Regelsystems 6-7-8-9-10-10′-11 mit der Abgasklappe 1 und der Rußfilter­ heizung 13 dergestalt optimiert, daß die Betriebseigenschaften der Brenn­ kraftmaschine über deren gesamten Betriebsdauer verbessert bzw. jedoch nicht verschlechtert sind.
Denn die Feder 6 wie der Thermostat 8 und die übrigen Reglerteile sowie die Abgasklappe 1 werden in dauerhafter Weise prinzipiell weder durch die Abgase beeinflußt, noch beeinflussen die Wirkleistung der Abgasklappe 1 auf das Abgas außerhalb eines bestimmten Druck- bzw. Temperatur­ bereiches die Betriebseigenschaften der Brennkraftmaschine. Dadurch kann der Rußfilter 3 während des Betriebes der Brennkraftmaschine rege­ neriert werden, ohne daß die Brennkraftmaschine selbst und insbesondere deren Energieverbrauch durch die Regeneration des Rußfilters 3 über die Betriebsdauer der Brennkraftmaschine wesentlich beeinflußt wird.
Das Druckmeßglied 10 und das Temperaturmeßglied 10′ aktivieren ent­ sprechend ihrer Ausgangssignale das Regelsystem und damit die Abgas­ klappe 1 sowie die Heizung 11 am Thermostaten 8, wodurch die Rußfilter­ heizung 13 druck- und temperaturabhängig entsprechend der Rußbeladung kurzfristig eingeschaltet wird. Das Druckmeßglied 10 vor dem Rußfilter 3 quantifiziert das Maß der Rußbeladung des Rußfilters 3. Je nach der Betriebsdauer der Brennkraftmaschine führt diese Rußbeladung zu einem bestimmten, erhöhten Abgasgegendruck vor dem Rußfilter 3, wobei dieser Abgasgegendruck mittels des Druckmeßgliedes 10 erfaßt wird.
Hat dieser erhöhte Abgasgegendruck einen vorgegebenen Wert - nämlich den kritischen Differenzdruck - erreicht, wird der Thermostat 8 hier durch dessen Heizung 11, und/oder auch durch die Rußfilterheizung 13, ent­ sprechend aktiviert. Das bedeutet, daß die Abgasklappe 1 zeitweise arbeitet und zwar nur dann, wenn eine relativ hohe Beladung des Rußfilters 3 mit Ruß vorliegt. Im übrigen haben die Abgasklappe 1 und die Rußfilterheizung 13 keine Wirkung auf das Abgas. Ist nur der kritische Differenzdruck in der Abgasreinigungsanlage 4 erreicht, das heißt, ein bestimmtes Maß an Filterbeladung, so werden infolge der Wirkleistung des Regelsystems 8 auf die Abgasklappe 1 - wobei in Fig. 1 durch Verringern der Längenaus­ dehnung des Thermostaten 9 das Zulassen der Federkraft 6 auf die Klappe 1 erfolgt - die Abgase in der Abgasreinigungsanlage 4 durch die Feder­ wirkung auf die Abgasklappe 1 solange gedrosselt, bis eine zur Rege­ neration des Filters 3 ausreichend hohe Temperatur durch Druck­ steigerung in der Abgasreinigungsanlage 4 erzielt ist und sich hierbei der Ruß im Rußfilter 3 zum Abbrennen entzündet. Das Abbrennen des Rußes wird somit jederzeit auf das ohne Rußbeladung des Rußfilters 3 zu erwartende Maß sichergestellt.
Nach der Regenerationsphase des Rußfilters 3 wird das Regelsystem in Abhängigkeit der Temperatur in der Abgasreinigungsanlage 4 so gesteuert - wobei hier die entsprechende Aufhebung der Federkraft der Feder 6 auf die Abgasklappe 1 durch das Regelsystem zu verstehen ist - daß die Abgas­ klappe 1 auf das Abgas nicht mehr einwirkt und erst ab Erreichen des kritischen Differenzdruckes in der Abgasreinigungsanlage 4 wieder ein­ setzt. Das bedeutet, daß die Federwirkung der Feder 6 auf die Abgasklappe 1 hier vom Regelsystem bzw. vom Thermostaten 8 außer Kraft gesetzt wird, so daß ein Aufbau des Abgasgegendruckes durch die Abgasklappe 1 in der Abgasreinigungsanlage 4 entfällt bzw. entsprechend aufgehoben ist.
Die Abgasklappe 1 kann sowohl direkt am Ende als auch am Anfang des Rußfilters 3 angebracht sein. Die Montage der Abgasklappe 1 vor dem Rußfilter 3 und die geometrische Anpassung der Gaseintrittsfläche des Rußfilters 3 auf den Bewegungsablauf der Abgasklappe 1 - was gleicher­ maßen für Katalysatoren gilt - ermöglichen es, das Volumen des Rußfilters 3 oder eines Katalysators so zu verändern, daß die zur Regeneration des Rußfilters 3 oder eines Katalysators aufzuwendende Energie zusätzlich sinkt.
Bevorzugt ist ein heizbarer Rußfilter 3 in der Abgasreinigungsanlage 4 vorgesehen, wobei die Rußfilterheizung 13 ebenfalls druck- und tempera­ turabhängig ein- bzw. ausgeschaltet wird. Jede zusätzliche Maßnahme zur Senkung der Zündtemperatur von Ruß steigert in solchen Rußfiltern 3 die Effizienz der Abgasreinigungsanlage 4, zum Beispiel mittels Katalysatoren oder Additive etc.
Die elektronische Recheneinheit 12 steuert die Wirkleistungen der Abgas­ klappe 1 und der Rußfilterheizung 13, so daß die Stellgröße des Regelsystems der Abgasklappe 1 und die Wirkleistung der Rußfilterheizung 13 in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine optimal so aufeinander abgestimmt werden, daß die Betriebseigenschaften der Brennkraftmaschine von der Abgasklappe 1 nicht wesentlich beeinflußt werden. Hierbei erhält eine der Steuergrößen - Druck oder Temperatur - Steuerpriorität.
Das Regelsystem kann elektromagnetisch, elektromotorisch, hydraulisch, pneumatisch oder, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, thermostatisch arbeiten. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Regelsystem in eine bestehende, herkömmliche Abgasreinigungsanlage nachträglich prinzipiell zwischen Katalysator bzw. Filteranlage und der Abgasleitung eingebaut werden kann. Das Regelsystem ist in einer Regeleinheit verwirklicht, die aus einem separaten Gehäuse besteht und in dem eine Abgasstaueinrichtung - beispielsweise ein diametral gelagertes Klappenventil - eingebracht ist und dessen Wirkleistung, wie oben beschrieben, erbracht wird.
Bezugszeichenliste
1 Abgasklappe
2 Lager der Abgasklappe
3 Rußfilter
4 Abgasreinigungsanlage
5 Verbindungshebel
6 Feder
7 Befestigungslager der Feder
8 Thermostat
9 Arbeitsstange des Thermostaten
10 Druckmesser
10′ Temperaturmesser
11 Elektrische Reglerheizung, hier Thermostatheizung
12 Elektronische Recheneinheit
13 Rußfilterheizung

Claims (7)

1. Abgasreinigungsanlage zum Regeln bzw. Steuern des Gasdurch­ strömvolumens von Abgasreaktoren (1), insbesondere zur Reinigung der Abgase aus Brennkraftmaschinen, mit einem Regel- bzw. Steuerkreis, der ein Temperaturmeßglied (10′) zur Erfassung der Abgastemperatur, gegebe­ nenfalls ein Druckmeßglied (10) zur Erfassung des Abgasdruckes sowie eine Fremdheizung (13) des Reaktors (1) umfaßt, die von den Meßgliedern (10, 10′) beaufschlagt und aktivierbar ist, mit einer im Bereich des Reaktors (1) schwenkbar angeordneten Abgasklappe (2) als Abgasstaueinrichtung, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abgasklappe (2) Teil des Regel- bzw. Steuerkreises zur Regelung bzw. Steuerung der Abgasklappe (2) ist und die Gaseintritts- oder Gasaustrittsfläche des Reaktors (1) geometrisch dem Bewegungsverlauf der Abgasklappe (2) so angepaßt ist, daß der Rand (2′) der Abgasklappe (2) die Gaseintritts- oder Gasaustrittsfläche des Reaktors (1) unter Vergrößerung oder Verkleinerung des Gasdurchströmvolumens zu überstreichen imstande ist.
2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasklappe (2) mittels einer Feder (6) federbelastet ist, die mit einer Stange (9) zusammenwirkt, die an einem Thermostat (8) angreift und dessen thermische Bewegung auf die Abgasklappe (2) überträgt.
3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermostat (8) eine eigene Heizung (11) aufweist, die druck- und temperaturabhängig mittels des Druckmeßgliedes (10), welches vor dem Reaktor (1) oder innerhalb des Reaktors (1) angeordnet ist, und/oder mittels eines Temperaturmeßgliedes (10′), welches sich vor oder nach dem Reaktor (1) befindet, beaufschlagt und aktivierbar ist.
4. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasklappe (2) mit Feder (6), Stange (9) und Thermostat (8) in einem Gehäuse separat angeordnet ist, welches zwischen einen herkömm­ lichen Rußfilter oder Katalysator und der anschließenden Abgasleitung nachrüstbar montierbar ist.
5. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (1) ein katalytisch wirksamer ist.
6. Abgasreinigungsanlage mit einem Druckmeßglied (10) nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor ein Rußfilter (1) ist.
7. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (1) periodisch oder kontinuierlich zu arbeiten imstande ist.
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