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 BrennkraftmaschinenInfo
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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
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.
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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