DE4416014A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasreinigungsanlage, insbesondere in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Reinigung des Abgases eines Verbren­ nungsmotors mit einer Abgasreinigungsanlage, deren Ein­ trittsöffnung mittels eines Abgaskanals mit einer Abgasaustrittsöffnung des Verbrennungsmotors verbunden ist, durch an den Abgaskanal angeschlossene Luftzuführ­ mittel, mittels derer dem Abgas in dem Abgaskanal Luft zuführbar ist, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.

Es ist bekannt, die beim Betrieb von Verbrennungsmotoren entstehenden Schadstoffemissionen mittels in den Abgas­ strom geschalteter Abgasreinigungsanlagen zu reduzieren. So finden beispielsweise bei Benzinmotoren Katalysatoren mit zugehörigen Lambdasonden Anwendung und bei Diesel­ motoren werden Rußfilter eingesetzt. Insbesondere bei Kraftfahrzeugen werden derartige Abgasreinigungsanlagen, auf die sich die Erfindung bezieht, in großem Umfang ein­ gebaut.

Aufgrund sich ständig verschärfender Umweltschutzbestim­ mungen ist man immer auf der Suche nach Möglichkeiten, die Reinigungswirkung der Abgasreinigungsanlage zur wei­ teren Verringerung der Schadstoffemission zu verbessern.

Es ist bekannt, daß insbesondere in der Startphase eines Benzinmotors ein in den Abgasstrom geschalteter Kataly­ sator nicht in der Lage ist, die Schadstoffe mit einem hohen Wirkungsgrad umzuwandeln. Dies ist darauf zurückzu­ führen, daß ein Katalysator erst ab einer Betriebstem­ peratur von ca. 400°C wirksam ist und diese Temperatur nicht vor 30 bis 60 Sekunden nach dem Starten des Motors erreicht wird. Um eine Verkürzung der Zeitdauer bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators und da­ mit einhergehend eine Verringerung der Schadstoffemission zu erreichen, wurde vorgeschlagen, den Katalysator mit­ tels einer Heizeinrichtung unabhängig von dem Motor zu beheizen. Als Heizeinrichtung kann ein Brenner dienen, wobei die von dem Brenner erhitzte Luft mittels eines Gebläses in den Abgaskanal eingeleitet und damit dem Katalysator zugeführt wird. Auf diese Weise kann der Katalysator entweder vor dem Starten des Verbrennungs­ motors auf seine Betriebstemperatur gebracht werden oder aber, wenn der Verbrennungsmotor bereits zeitgleich oder unmittelbar nach dem Einschalten des Brenners gestartet wird, die Zeitdauer bis zum Erreichen der Betriebstempe­ ratur des Katalysators verringert werden.

Wenn der Verbrennungsmotor nicht läuft, reicht eine rela­ tiv geringe Luftmenge aus, um die Heizflamme des Brenners mit Luft zu versorgen und die erhitzte Luft durch den Ab­ gaskanal dem Katalysator zuzuführen. Sobald der Verbren­ nungsmotor läuft, baut sich jedoch in dem Abgaskanal ein hoher Abgasgegendruck auf, den das Gebläse des Brenners für die Zuführung von Luft zu der Heizflamme überwinden muß. Der Abgasgegendruck eines Verbrennungsmotors steigt mit steigender Drehzahl an, weshalb im Stand der Technik vorgesehen ist, die Drehzahl des Verbrennungsmotors wäh­ rend der Fremdbeheizung mittels eines Brenners auf nie­ drige Drehzahlen zu begrenzen. Aber auch in diesem Fall ist es erforderlich, daß das Gebläse gegen einen Abgas­ gegendruck von ca. 70 bis 120 mbar arbeitet und etwa 50 bis 70 kg Luft pro Stunde zuführt. Hierfür ist eine elek­ trische Gebläseleistung von ca. 300 bis 400 Watt erfor­ derlich, die das Bordnetz belastet. Zudem weist das Ge­ bläse entsprechend große Abmessungen auf.

Ein weiterer Vorschlag zur Fremdbeheizung eines Katalysa­ tors besteht darin, diesen elektrisch zu erhitzen. Auch hierfür ist eine hohe elektrische Leistung erforderlich.

Ein anderer bekannter Vorschlag zur Verringerung der Schadstoffemission besteht darin, dem Abgasstrom Luft zuzumischen, um damit eine thermische Nachoxidation in dem Abgasstrom enthaltener Brennstoffbestandteile zu er­ zielen, die bei dem Verbrennungsvorgang in dem Verbren­ nungsmotor nicht oder nicht vollständig verbrannt wurden. Die Beimischung von Luft zu dem Abgasstrom erfolgt nach dem Stand der Technik nur in bestimmten Betriebszustän­ den. Dies ist darauf zurückzuführen, daß nicht in allen Betriebszuständen in nennenswertem Umfang Brennstoff­ bestandteile in dem Abgasstrom vorhanden sind. Ein weite­ rer Grund liegt darin, daß die hierzu verwendeten, elek­ trisch betriebenen Flügelzellenpumpen nur eine begrenzte Lebensdauer haben und daher nicht ständig zugeschaltet werden sollen. Diese Flügelzellenpumpen können hohe Drücke erzeugen, um gegen den Abgasgegendruck zu arbei­ ten, und haben eine regelbare Förderleistung. Sie weisen, auch wenn sie lediglich ein geringes Volumen fördern, große Abmessungen auf, die etwa den Abmessungen des zu dem Verbrennungsmotor gehörenden Luftfilters entsprechen. Die Beimischung von Luft zu dem Abgasstrom ist sowohl bei Benzinmotoren zur thermischen Nachoxidation von Rest­ brennstoffanteilen, als auch bei Dieselmotoren zur Ver­ brennung von Rußpartikeln im Rußfilter bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen die Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasrei­ nigungsanlage weiter verbessert werden kann. Insbesondere richtet sie sich darauf, die Abmessungen der zusätzlichen Aggregate und die für den Betrieb erforderliche elek­ trische Leistung möglichst gering zu halten, was insbe­ sondere in Kraftfahrzeugen vorteilhaft ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe bei einer Vorrichtung der ein­ gangs bezeichneten Art wird erfindungsgemäß vorgeschla­ gen, daß die Luftzuführmittel eine Gasstrahlpumpe umfas­ sen, deren Treibseite mittels des Abgaskanals mit der Abgasaustrittsöffnung des Verbrennungsmotors verbunden ist, deren Austrittsseite mittels des Abgaskanals mit der Eintrittsöffnung der Abgasreinigungsanlage verbunden ist und mittels der an ihrer Saugseite zugeführte Luft dem sie durchströmenden Abgas zumischbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Luftzuführmittel eine Gasstrahlpumpe umfassen, deren Treibseite mittels des Abgaskanals mit der Abgasaus­ trittsöffnung des Verbrennungsmotors verbunden ist, deren Austrittseite mittels des Abgaskanals mit der Eintritts­ öffnung der Abgasreinigungsanlage verbunden ist und die von zumindest einem Teilstrom des Abgases durchströmt wird und mittels der an ihrer Saugseite zugeführte Luft dem sie durchströmenden Abgas zugemischt wird.

Der durch die Gasstrahlpumpe strömende Abgasstrom kann der gesamte Abgasstrom des Verbrennungsmotors oder aber ein Teilstrom hiervon sein. Er bewirkt, daß auf der Saug­ seite der Gasstrahlpumpe Luft angesaugt wird, ohne daß hierfür eine gesonderte Pumpe mit großen Abmessungen und einer hohen Leistung erforderlich ist. Die für die Zumischung von Luft erforderliche Energie wird dabei dem Abgasstrom selbst entzogen.

Weitere vorteilhafte Merkmale, die einzeln oder in Kombination verwirklicht sein können, sind in den ab­ hängigen Ansprüchen angegeben.

In einigen Anwendungsfällen kann es sein, daß die Abmes­ sungen der Saugstrahlpumpe unpraktikabel groß werden. In diesen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Saugseite der Gasstrahlpumpe mit einer Zuluftpumpe zu verbinden, mit­ tels welcher Luft zuführbar ist. Auf diese Weise können die Abmessungen der Saugstrahlpumpe erheblich reduziert werden, ohne daß die dabei erforderliche Zuluftpumpe große Abmessungen aufweist. Die Auslegung der Gasstrahl­ pumpe und der Zuluftpumpe kann für den jeweiligen Ver­ brennungsmotor angepaßt werden, wozu Berechnungen und praktische Erprobungen dienen können. Die Zuluftpumpe kann vorteilhafterweise elektrisch betrieben sein oder eine regelbare Förderleistung aufweisen.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal wird vorge­ schlagen, daß die Saugseite der Gasstrahlpumpe mit einem steuerbaren Drosselelement verbunden ist und die Schließ­ stellung des Drosselelements mittels einer daran ange­ schlossene Regeleinrichtung zur Regelung der zugeführten Luftmenge regelbar ist. Auf diese Weise kann die mittels der Gasstrahlpumpe zugeführte Luftmenge den jeweiligen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors angepaßt werden.

Ein anderes vorteilhaftes Merkmal besteht darin, daß die Saugleistung der Gasstrahlpumpe regelbar ist, um die dem Abgasstrom zugeführte Luftmenge zu regeln. Dies kann bei­ spielsweise dadurch erfolgen, daß die Gasstrahlpumpe eine düsennadelgeregelte Treibdüse aufweist.

Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung wird vorge­ schlagen, daß an dem Abgaskanal zwischen der Abgasaus­ trittsöffnung des Verbrennungsmotors und der Eintritts­ öffnung der Abgasreinigungsanlage ein Brenner angeschlos­ sen ist, der eine steuerbare Brennstoffzuführvorrichtung zur Brennstoffzufuhr in einen Brennraum, eine Brennluft­ öffnung zur Luftzufuhr in den Brennraum und eine Zündein­ richtung umfaßt. Mit einem solchen Brenner kann, wie im Stand der Technik bekannt, die Abgasreinigungsanlage vor­ geheizt oder in kürzerer Zeit auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden.

Nach zusätzlichen vorteilhaften Merkmalen kann vorgesehen sein, daß die Brennstoffzufuhr zu dem Brenner mittels eines Brennstoffdosierelementes und einer daran ange­ schlossenen Regeleinrichtung regelbar ist, daß der Brenn­ raum mit einer Brennerpumpe verbunden ist, mittels der dem Brenner Luft zuführbar ist, daß die Brennerpumpe elektrisch betrieben ist oder daß die Förderleistung der Brennerpumpe regelbar ist. Ein weiteres vorteilhaftes Ausbildungsmerkmal besteht noch darin, daß der Brenner mit einem steuerbaren Brennerdrosselelement verbunden ist und die Schließstellung des Brennerdrosselelementes mit­ tels einer daran angeschlossenen Regeleinrichtung zur Regelung der dem Brenner zugeführte Luftmenge regelbar ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung besteht darin, daß der Brennraum des Brenners mit der Saugseite der Gas­ strahlpumpe verbunden ist. Dabei kann ferner vorteilhaf­ terweise vorgesehen sein, daß dieselbe Pumpe sowohl Zuluftpumpe als auch Brennerpumpe ist.

Ein besonders platzsparender und kostengünstiger Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann erzielt werden, wenn ein Teil der Wand des Brennraumes des Brenners von einem Teil der Wand der Gasstrahlpumpe, insbesondere von einem Teil der Treibdüse gebildet ist.

Falls sich die Abmessungen der Gasstrahlpumpe für den je­ weiligen Einsatz- bzw. Einbauort als zu groß erweisen sollten, ist es möglich, die Gasstrahlpumpe aus mehreren getrennten, parallel betreibbaren einzelnen Gasstrahlpum­ pen zu bilden, deren jeweiligen Abmessungen entsprechend kleiner sind. Die einzelnen Gasstrahlpumpen können dabei auch unterschiedlich ausgelegt sein und einzeln oder in Kombination betrieben werden.

Aus Sicherheitsgründen wird ferner vorgeschlagen, daß an die Saugseite der Gasstrahlpumpe und/oder die Brennluft­ öffnung des Brenners ein Rückschlagventil angeschlossen ist, um den Austritt von Abgas auf anderem Weg als durch die Abgasreinigungsanlage zu verhindern.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Verfahrens und der Vorrichtung wird erreicht, daß eine kontinuierliche Zumischung von Luft zu dem Abgasstrom möglich ist, ohne daß hierfür eine große und leistungsstarke elektrische Pumpe erforderlich ist. Ferner kann auch vor dem Start des Verbrennungsmotors oder in dessen Start- bzw. Warm­ laufphase bei beliebigen Drehzahlen mit einer dennoch kleinen Zusatzpumpe geringer Leistung eine Fremdbeheizung der Abgasreinigungsanlage mit einem Brenner durchgeführt werden.

Die folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung lassen weitere vorteilhafte Merkmale und Besonderheiten erken­ nen, die anhand der Darstellung in den Zeichnungen im folgenden näher beschrieben und erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Gasstrahlpumpe im Schnitt,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug,

Fig. 3 in einer Einzelheit zu Fig. 2 eine Gasstrahlpumpe mit Brenner im Schnitt,

Fig. 4 eine abgewandelte Ausbildung zu Fig. 3,

Fig. 5 den Abgasgegendruck in einem Ottomotor,

Fig. 6 das Abgasvolumen und das Zuluftvolumen in einem Ottomotor und die Saugleistung einer Gasstrahl­ pumpe,

Fig. 7 das Abgasvolumen zu Fig. 6 in anderer Darstellung,

Fig. 8 die Abgaszusammensetzung in einem Ottomotor und

Fig. 9 die Abgastemperatur in einem Ottomotor.

In Fig. 1 ist die Prinzipskizze einer handelsüblichen Gasstrahlpumpe 1 im Schnitt dargestellt. Sie hat keine beweglichen Teile und benötigt kein Antriebsaggregat. Sie besteht zumeist aus einem Gehäuse 5, einer Treibdüse 6 und einer Mischdüse 7. Das an der Treibseite 2 zugeführte Treibgas wird in der Treibdüse 1 unter Druckverringerung entspannt. Hierdurch wird das an der Saugseite 3 zuge­ führte Gas mitgerissen bzw. angesaugt und in der Misch­ düse 7 mit dem Treibgas vermischt. Die Mischdüse 7 weist einen Konfusor 8 auf, der wie im dargestellten Beispiel konisch oder auch zylindrisch geformt sein kann, sowie einen Diffusor 9, in dem eine Geschwindigkeitsverlang­ samung der Gase und eine Drucksteigerung stattfindet. Das Gas tritt an der Austrittsseite 4 aus. Für den erfin­ dungsgemäßen Anwendungsfall eignen sich insbesondere Gas­ strahlpumpen, die als Gasstrahl-Ventilator ausgelegt sind. Bei diesen ist die Druckdifferenz zwischen der Aus­ trittsseite 4 und der Saugseite 3 gering.

Die Gasstrahlpumpe 1 muß für den jeweiligen Anwendungs­ fall in spezifischer Weise ausgelegt werden, d. h. die Abmessungen und Konturformen müssen anwendungsspezifisch ausgebildet sein. Bei einer bestimmten Auslegung der Gas­ strahlpumpe 1 hinsichtlich der vorherrschenden Druckver­ hältnisse an Treibseite 2, Saugseite 3 und Austrittsseite 4 muß, bei einer Vergrößerung ihres Durchmessers zur Er­ höhung des Gasdurchsatzes, auch ihre Länge zunehmen. Falls die Gasstrahlpumpe 1 dann für den jeweiligen Anwen­ dungsfall zu lang wird, kann die Gasstrahlpumpe 1 aus einer Parallelschaltung mehrerer, jeweils vollständiger Gasstrahlpumpen gebildet sein. In der Regel weisen Gas­ strahlpumpen runde Querschnitte, z. B. der Mischdüse, auf. Es kann jedoch auch die Besonderheit vorgesehen sein, daß zur Vergrößerung des Volumendurchsatzes bei dennoch kurzer Baulänge der Gasstrahlpumpe der Querschnitt nicht rund ist, sondern als rechteckiger Flachquerschnitt aus­ gelegt ist, wodurch die Baubreite vergrößert wird.

Die Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug. Dargestellt ist ein vierzylindriger Verbrennungsmotor 11, dessen auf der Auslaßseite 21 aus­ tretenden Abgase an einer Abgasaustrittsöffnung 12 in den Abgaskanal 13 austreten. Der Abgaskanal 13 leitet die Ab­ gase zu der Eintrittsöffnung 23 eines Katalysators 14. Im Abgaskanal 13 ist eine Lamdasonde 15 angeordnet. Der Ver­ brennungsmotor 11 wird aus dem Brennstofftank 16 mittels der Brennstoffleitung 17 auf der Einlaßseite 20 mit Brennstoff versorgt. In die Brennstoffleitung 17 sind eine Brennstoffpumpe 18 und ein Brennstoffilter 19 einge­ setzt. Auf der Einlaßseite 20 wird dem Verbrennungsmotor 11 Luft zugeführt, die über einen Luftmengenmesser 22 ge­ messen werden kann. Der Luftmengenmesser 22 kann mit einer Regeleinrichtung 30 verbunden sein.

In den Abgaskanal 13 ist eine Gasstrahlpumpe 1 einge­ setzt, die an ihrer Treibseite 2 mit der Abgasaustritts­ öffnung 12 und an ihrer Austrittsseite 4 mit der Ein­ trittsöffnung 23 verbunden ist. Die Saugseite 3 der Gas­ strahlpumpe 1 ist mit dem Brennraum 33 eines Brenners 31 verbunden.

Der Brenner 31 wird mittels der Brennstoffleitung 17 mit Brennstoff versorgt. In die Brennstoffzuführung zu dem Brenner 31 sind eine steuerbare Brennstoffzufuhr­ vorrichtung 32, die mit der Regeleinrichtung 30 verbunden ist, und ein steuerbares Brennstoffdosierelement 36 ein­ geschaltet. Die Regelung des Brennstoffdosierelements 36 kann beispielsweise mit einer elektronischen Regelein­ richtung 30 erfolgen. Eine alternative Regeleinrichtung für das Brennstoffdosierelement 36 kann auch auf den Dif­ ferenzdruck zwischen der Brennstoffleitung 17 und der Luftleitung 25 ansprechen, der mittels der Druckleitung 24 gemessen wird.

Die Luft für den Betrieb des Brenners 31 in dem Brennraum 33 wird über eine Luftleitung 25 zugeführt. Die Luftlei­ tung 25 ist mit einer Zuluftpumpe 26 für die Zuführung von Luft zu der Saugseite 3 der Gasstrahlpumpe 1 verbun­ den. Die Zuluftpumpe 26 ist in ihrer Leistung mittels der Regeleinrichtung 30 steuerbar. Sie dient gleichzeitig als Brennerpumpe 37 zur Zuführung von Luft zu dem Brenner 31. Zwischen der Zuluftpumpe 26 und dem Brennraum 33 ist ein steuerbares Drosselelement 27 zur Steuerung der der Saug­ seite 3 der Gasstrahlpumpe 1 zugeführten Luftmenge an­ geordnet. Dieses steuerbare Drosselelement 27 dient gleichzeitig als steuerbares Drosselelement 38 zur Steue­ rung der dem Brenner 31 zugeführten Luftmenge. Es wird von der Regeleinrichtung 30 aus gesteuert.

Das steuerbare Drosselelement 27 weist ferner ein Rück­ schlagventil 28 auf, mit dem der Austritt von Abgas aus dem Abgaskanal 13 durch die Luftleitung 25 verhindert wird. Es erfüllt gleichzeitig die Funktion als weiteres Rückschlagventil 39, mit dem der Austritt von Heizluft aus dem Brennraum 33 durch die Luftleitung 25 verhindert wird.

Die Funktion der dargestellten Vorrichtung ist wie folgt: Wenn der Verbrennungsmotor 11 kalt ist und der Kataly­ sator 14 nicht die erforderliche Betriebstemperatur auf­ weist, wird zunächst die Brennstoffpumpe 18 und die Bren­ nerpumpe 37 in Betrieb gesetzt. Dies kann beispielsweise automatisch durch das Einschalten der Zündanlage des Ver­ brennungsmotors 11 erfolgen. Gleichzeitig öffnet das steuerbare Brennerdrosselelement 38.

Hierdurch wird zunächst mit einem geringen Druck Luft in den Brennraum 33 und von dort über den Abgaskanal 13 in den Katalysator 14 geblasen. Danach öffnet das Brenn­ stoffdosierelement 36, und es strömt Brennstoff zu dem Brenner 31. Zu diesem Zeitpunkt wird mittels der Zündein­ richtung 35 der Brenner 31 gezündet und beginnt, die in dem Brennraum 33 vorhandene Luft zu erhitzen. Durch die ständige Zufuhr weiterer Luft durch die Brennerpumpe 37 wird die heiße Luft in den Katalysator 14 geleitet und heizt diesen auf.

Wenn der Verbrennungsmotor gestartet wird, steigt der Druck in dem Abgaskanal 13 an. Gegen diesen Abgasgegen­ druck muß die Zuluftpumpe 26 jedoch nicht arbeiten, weil aufgrund der Saugwirkung der Gasstrahlpumpe 1 auf ihrer Saugseite 3 der Druck vermindert ist. Dadurch wird sowohl die heiße Luft aus dem Brennraum 31 in den Abgaskanal 13 gefördert als auch die Zuluftpumpe 26 entlastet, wodurch diese mit einer geringen Leistung und kleinen Baugröße ausgelegt werden kann.

Je nach Auslegung von Zuluftpumpe 26 und Gasstrahlpumpe 1 kann nun eine bestimmte steuerbare Luftmenge über den Brennraum 33 in den Abgaskanal 13 gelangen und dort die in der Kaltstartphase in besonders hohem Ausmaß im Abgas­ strom vorhandenen unverbrannten Brennstoffreste nachver­ brennen. Die dabei freiwerdende Wärme kann zu einer schnelleren Erwärmung des Katalysators 14 beitragen. Da­ durch wird auch die Schadstoffemission in diesem Betriebsabschnitt reduziert. Ferner kann die Leistung des Brenners 31 entsprechend kleiner sein.

Besonders effizient ist die thermische Nachverbrennung dann möglich, wenn aus dem Brennraum 33 des Brenners 31 die Flamme mit dort vorhandener überschüssiger Luft durch die Saugseite 3 der Gasstrahlpumpe 1 mit in den Abgas­ strom in der Gasstrahlpumpe 1 gezogen wird.

Die dem Brenner zugeführte Brennstoffmenge kann mittels des steuerbaren Brennstoffdosierelements 36 in geeigneter Weise nach dem jeweiligen Bedarf geregelt werden. Das­ selbe gilt für die Luftzufuhr zu dem Brenner 31 bzw. der Saugseite 3 der Gasstrahlpumpe 1, die mittels des steuer­ baren Drosselelementes 27 bzw. steuerbaren Brennerdros­ selelementes 38 oder der Leistung der Zuluftpumpe 26 bzw. der Brennerpumpe 37 geregelt werden kann.

Wenn der Katalysator 14 seine Betriebstemperatur erreicht hat, kann die steuerbare Brennstoff Zuführvorrichtung 32 geschlossen werden, wodurch der Brenner 31 abgeschaltet wird. Die Betriebstemperatur des Katalysators 14 wird dann durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors 11 auf­ rechterhalten. Dem Abgasstrom kann über die Gasstrahl­ pumpe 1 auf ihrer Saugseite 3 kontinuierlich oder in bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors 11 Luft zur Nachoxidation der Abgase zugeführt werden. Dabei kann die Luftmenge wie vorstehend erläutert geregelt wer­ den. In analoger Weise kann die zugeführte Luft auch zur Verbrennung von Rußpartikeln bei einem Dieselmotor die­ nen, der anstelle des Katalysators 14 ein Rußfilter auf­ weist.

In Fig. 3 ist in einer Einzelheit zu Fig. 2 im Schnitt die Gasstrahlpumpe 1 mit dem Brenner 31 dargestellt. Der auf der Treibseite 2 von dem Verbrennungsmotor 11 ankom­ mende Abgasstrom wird in der Treibdüse 6 entspannt und mit der auf der Saugseite 3 zugeführten Luft in der Mischdüse 7 gemischt. Das Gemisch tritt an der Austritts­ seite 4 aus der Gasstrahlpumpe 1 aus und wird von dem Abgaskanal 13 zu der Eintrittsöffnung 23 des Katalysators 14 geleitet. Die Luft wird der Saugseite 3 über eine Luftleitung 25 zugeführt. Sie gelangt zunächst durch eine Brennluftöffnung 34 in einen Brennraum 33, in dem sie mittels des Brenners 31 erhitzt werden kann. Der Brenner 31 weist eine Zündeinrichtung 25 auf und wird mittels einer Brennstoffleitung 17 mit Brennstoff versorgt. Die Saugseite 3 der Gasstrahlpumpe 1 ist nur zu dem Brennraum 31 hin geöffnet, dem nur über die Luftleitung 25 Luft zu­ geführt werden kann. Auf diese Weise wird dem Abgasstrom nur durch die Luftleitung 25 zugeführte Luft beigemischt, so daß die zugeführte Luftmenge steuerbar ist.

Der von der Gasstrahlpumpe 1 dem Abgas beigemische Luft­ strom kann prinzipiell auf drei Weisen beeinflußt werden. Die erste besteht in der Variation des Druckes auf der Saugseite, was mittels eines steuerbaren Drosselelements 27 in der Luftleitung 25 oder durch Regelung der Leistung der Zuluftpumpe 26 erfolgen kann. Zweitens kann der Saug­ strom auch durch Variation des Druckes auf der Austritts­ seite der Gasstrahlpumpe 1 beeinflußt werden. Diese Mög­ lichkeit dürfte in der Praxis jedoch weniger bedeutsam sein, weil der Abgasstrom weitgehend ungedrosselt austre­ ten soll. Die dritte Möglichkeit besteht in einer Varia­ tion des Treibgasdruckes. Hierfür stehen prinzipiell zwei Möglichkeiten zur Verfügung. Einerseits könnte der Treib­ gasdruckes selbst geändert werden, was durch Drosselung oder Druckerhöhung erfolgen kann. Auch hierfür sind in der Praxis dadurch Grenzen gesetzt, daß der Abgasdruck im wesentlichen von dem Verbrennungsmotor 11 vorgegeben ist und nicht beliebig gedrosselt oder erhöht werden kann.

Die zweite Möglichkeit zur Variation des Treibgasdruckes kann durch eine angewandelte Ausbildung der Saugstrahl­ pumpe 1, die in der Fig. 4 dargestellt ist, erfolgen. Sie weist eine düsennadelgeregelte Treibdüse mit einer Düsennadel 10 auf, die zur Vergrößerung oder Verringerung des für den Abgasstrom zur Verfügung stehenden Quer­ schnittes mittels einer nicht dargestellten Steuerein­ richtung hin und her bewegt werden kann. Dadurch ist un­ ter Beibehaltung des Druckes auf der Treibseite 2 auf­ grund der Querschnittsveränderung eine Mengenbeeinflus­ sung möglich. Eine solche Düsennadel 10 kann insbesondere bei kleinen Drehzahlen des Verbrennungsmotors 11 zur Ver­ ringerung der Querschnittfläche der Treibdüse 1 einge­ setzt werden, um eine auch in diesem Fall ausreichende Saugwirkung auf der Saugseite 3 zu erzielen, wenn bei den niedrigen Drehzahlen der Abgasstrom auf der Treibseite 2 gering ist und sonst nicht oder nur in geringer Weise zur Erzielung einer ausreichenden Saugwirkung ausreichen würde.

Bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Gasstrahl­ pumpe 1 haben die Gasstrahlpumpe 1 und der Brennraum 33 des Brenners 31 einen gemeinsamen Teil 41 der Wand 40. Auf diese Weise kann die Gasstrahlpumpe 1 mit Brenner 31 besonders platzsparend und kostengünstig aufgebaut sein.

Die Gasstrahlpumpe 1 muß für den jeweiligen Anwendungs­ fall gesondert ausgelegt werden, da es keine universelle Gasstrahlpumpe 1 gibt. In den vorgeschlagenen Anwendungs­ fällen sind für die Auslegung beispielsweise die auf der Treibseite 2, Saugseite 3 und Austrittsseite 4 der Gas­ strahlpumpe 1 vorliegenden Drücke bzw. Druckdifferenzen, die jeweiligen Volumen- bzw. Massenströme, die Temperatur der Gase und die Gasart bzw. Gas Zusammensetzung zu be­ rücksichtigen. Diese Größen hängen wiederum von anderen Parametern ab, zu denen der Typ des jeweiligen Verbren­ nungsmotors 11, die dem Abgas beizumischende Luftmenge, die Leistung der Zuluftpumpe 26, die Menge des von dem Brenner 31 verbrannten Brennstoffs und die dem Brenner 31 zugeführte Luftmenge zählen. In den Fig. 5 bis 9 wer­ den typische Kennlinien eines Sechszylindermotors mit 3199 ccm Hubraum als Vollastkurve bei Lamda gleich 1,0 angegeben, mit denen es Fachleuten auf dem Gebiet der Gasstrahlpumpen möglich ist, die Abmessungen und die Kon­ turformen einer geeigneten Gasstrahlpumpe 1 für diesen beispielhaften Anwendungsfall auszulegen.

In Fig. 5 ist der Abgasgegendruck AG des Ottomotors als Funktion der Drehzahl des Motors dargestellt. Man er­ kennt, daß der Motor bei niedrigen Drehzahlen einen nie­ drigen Abgasgegendruck aufweist, der mit zunehmender Drehzahl stark anwächst. Diesen Abgasgegendruck müssen Luftzuführmittel überwinden, wenn dem Abgas Luft zuge­ mischt werden soll.

In Fig. 6 ist das zugehörige Abgasvolumen VA des Ver­ brennungsmotors 11 dargestellt, das ebenfalls mit der Drehzahl ansteigt. In das Diagramm ist ferner das Zuluft­ volumen VZ eingezeichnet, das die Menge an Luft angibt, die dem Abgasstrom zur vollständigen thermischen Nachver­ brennung von Brennstoffrestanteilen im Abgasstrom beige­ mischt werden muß. Ebenfalls eingezeichnet ist die Saugleistung SL der Gasstrahlpumpe 1, die vorteilhafter­ weise in zumindest einem überwiegenden Drehzahlbereich größer als das Zuluftvolumen VZ bemessen wird, so daß durch Drosselung der Saugleistung SL der Gasstrahlpumpe 1 das erforderliche Zuluftvolumen VZ in den jeweiligen Betriebszuständen einstellbar ist.

In dem in Fig. 6 dargestellten Beispielsfall ist die Saugleistung SL der Gasstrahlpumpe 1 im Bereich B2 größer als das Zuluftvolumen VZ, weil bei den größeren Drehzah­ len der Abgasstrom stark genug ist. In diesem Beispiel kann durch die verschiedenen, weiter oben beschriebenen Drosselungsmaßnahmen die zugeführte Luftmenge auf den ge­ wünschten Wert reduziert werden.

Im Bereich B1 bei kleiner Drehzahlen ist die Saugleistung SL der Gasstrahlpumpe 1 allein kleiner als das Zuluftvo­ lumen VZ. In diesem Bereich kann die Gasstrahlpumpe 1 von einer mit ihrer Saugseite 2 verbundenen Zuluftpumpe 26 unterstützt werden, um die erforderliche Luftmenge dem Abgasstrom zuzuführen, ohne daß die Gasstrahlpumpe 1 oder die Zuluftpumpe 26 zu groß werden.

Fig. 7 zeigt das Abgasvolumen VA als Massenstrom in Ki­ logramm pro Stunde und in Fig. 8 ist das Abgasvolumen VA zusammen mit seinen Bestandteilen dargestellt.

Fig. 9 zeigt die Abgastemperatur des Motors.

Claims (32)

1. Vorrichtung zur Verbesserung der Reinigung des Ab­ gases eines Verbrennungsmotors (11) mit einer Abgas­ reinigungsanlage (14), deren Eintrittsöffnung (23) mittels eines Abgaskanals (13) mit einer Ab­ gasaustrittsöffnung (12) des Verbrennungsmotors (11) verbunden ist, durch an den Abgaskanal (13) ange­ schlossene Luftzuführmittel, mittels derer dem Abgas in dem Abgaskanal (13) Luft zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführmittel eine Gasstrahlpumpe (1) ein­ schließen, deren Treibseite (2) mit der Abgasaus­ trittsöffnung (12) des Verbrennungsmotors (11) ver­ bunden ist, deren Austrittsseite (4) mit der Ein­ trittsöffnung (23) der Abgasreinigungsanlage (14) verbunden ist und mittels der an ihrer Saugseite (3) zugeführte Luft dem sie durchströmenden Abgas zu­ mischbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugseite (3) der Gasstrahlpumpe (1) mit ei­ ner Zuluftpumpe (26) verbunden ist, mittels welcher Luft zuführbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuluftpumpe (26) elektrisch betrieben ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleistung der Zuluftpumpe (26) regelbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugseite (3) der Gasstrahlpumpe (1) mit ei­ nem steuerbaren Drosselelement (27) verbunden ist und die Schließstellung des Drosselelementes (27) mittels einer daran angeschlossenen Regeleinrichtung (30) zur Regelung der zugeführten Luftmenge regelbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugleistung der Gasstrahlpumpe (1) regelbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasstrahlpumpe (1) eine düsennadelgeregelte Treibdüse (10) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Abgaskanal (13) zwischen der Abgasaus­ trittsöffnung (12) des Verbrennungsmotors (11) und der Eintrittsöffnung (23) der Abgasreinigungsanlage (14) ein Brenner (31) angeschlossen ist, der eine steuerbare Brennstoffzuführvorrichtung (32) zur Brennstoffzufuhr in einen Brennraum (33), eine Brenn­ luftöffnung (34) zur Luftzufuhr in den Brennraum (33) und eine Zündeinrichtung (35) umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr zu dem Brenner (31) mittels eines Brennstoffdosierelements (36) und einer daran angeschlossenen Regeleinrichtung (30) regelbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (33) mit einer Brennerpumpe (37) verbunden ist, mittels der dem Brenner (31) Luft zu­ führbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerpumpe (31) elektrisch betrieben ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleistung der Brennerpumpe (31) regelbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (31) mit einem steuerbaren Brenner­ drosselelement (38) verbunden ist und die Schließ­ stellung des Brennerdrosselelementes (38) mittels ei­ ner daran angeschlossenen Regeleinrichtung (30) zur Regelung der dem Brenner (31) zugeführten Luftmenge regelbar ist.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (33) des Brenners (31) mit der Saugseite (3) der Gasstrahlpumpe (1) verbunden ist.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe Pumpe sowohl die Zuluft­ pumpe (26) als auch die Brennerpumpe (37) ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (41) der Wand (40) des Brennraumes (33) des Brenners (31) von einem Teil (41) der Wand (40) der Gasstrahlpumpe (1), insbesondere von einem Teil (41) der Treibdüse (6) gebildet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasstrahlpumpe (1) aus mehreren getrennten, parallel geschalteten einzelnen Gasstrahlpumpen (1) gebildet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Saugseite (3) der Gasstrahlpumpe (1) ein Rückschlagventil (39) angeschlossen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an die Brennluftöffnung (34) des Brenners (31) ein Rückschlagventil (39) angeschlossen ist.

20. Verfahren zur Verbesserung der Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors (11) mit einer Abgasreini­ gungsanlage (14), deren Eintrittsöffnung (23) mittels eines Abgaskanals (13) mit einer Abgasaus­ trittsöffnung (12) des Verbrennungsmotors (11) ver­ bunden ist, durch an den Abgaskanal (13) angeschlos­ sene Luftzuführmittel, mittels derer dem Abgas in dem Abgaskanal (13) Luft zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführmittel eine Gasstrahlpumpe (1) ein­ schließen, deren Treibseite (2) mit der Abgasaus­ trittsöffnung (12) des Verbrennungsmotors (11) ver­ bunden ist, deren Austrittsseite (4) mit der Ein­ trittsöffnung (23) der Abgasreinigungsanlage (14) verbunden ist und die von zumindest einem Teilstrom des Abgases durchströmt wird, und mittels der an ih­ rer Saugseite (3) zugeführte Luft dem sie durch­ strömenden Abgas zugemischt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer mit der Saugseite (3) der Gas­ strahlpumpe (1) verbundenen Zuluftpumpe (26) der Saugseite (3) der Gasstrahlpumpe (1) Luft zugeführt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuluftpumpe (26) elektrisch betrieben ist.

23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleistung der Zuluftpumpe (26) geregelt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines steuerbaren Drosselelements (27) und einer daran angeschlossenen Regeleinrichtung (30) die der Saugseite (3) der Gasstrahlpumpe (1) zuge­ führte Luftmenge geregelt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugleistung der Gasstrahlpumpe (1) geregelt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugleistung der Gasstrahlpumpe (1) mittels einer düsennadelgeregelten Treibdüse (10) geregelt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines in dem Abgaskanal zwischen der Ab­ gasaustrittsöffnung (12) des Verbrennungsmotors (11) und der Eintrittsöffnung (23) der Abgasreinigungsan­ lage (14) angeordneten Brenners (31), der mittels ei­ ner steuerbaren Brennstoffzuführvorrichtung (32) mit Brennstoff und mittels einer Brennluftöffnung (34) mit Luft versorgt wird und der eine Zündeinrichtung (35) umfaßt, das Gas in dem Abgaskanal (13) erhitzt wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Brennstoffdosierelements (36) und einer daran angeschlossenen Regeleinrichtung (30) die Brennstoffzufuhr zu dem Brenner (31) geregelt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Brennerpumpe (37) dem Brenner (31) Luft zugeführt wird.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerpumpe (37) elektrisch betrieben wird.

31. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleistung der Brennerpumpe (37) geregelt wird.

32. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem steuerbaren Brennerdrosselelement (38) und einer daran angeschlossenen Regeleinrichtung (30) die dem Brenner (31) zugeführe Luftmenge geregelt wird.