DE9204220U1 - Abgasanlage für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Abgasanlage für Verbrennungsmotoren

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Description

• ,.J· Seite 2'
Besch re i bung:
Die Erfindung betrifft AbgasanLagen für Verbrennungsmotoren, die neben einem HauptkataLysator wenigstens einen Startkatalysator besitzen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Abgasanlage ist bekannt aus der EP-A-417 412.
Beim Bau von Abgasanlagen mit Abgaskatalysator für Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, steht der Konstrukteur vor einem großen Problem: Ordnet er den Katalysator möglichst nahe am Motor an, so erreicht der Katalysator sehr schnell die für die katalytische Umwandlung der Abgase erforderliche Mindesttemperatur; das sogenannte Startverha 11en ist ausgezeichnet. Während der Hauptbetriebsphase dagegen wird der Katalysator leicht überhitzt und altert schnell; seine Dauerfestigkeit ist schlecht. Ordnet man den Katalysator in einem größeren Abstand vom Motor an, ist die Dauerfestigkeit zwar gut, das St art verha I ten jedoch schlecht. In der Praxis wird der Katalysator in einem erheblichen Abstand vom Motor angeordnet, da die Hauptbetriebsphase einen erheblich größeren prozentualen Anteil an der Gesamt betriebszeit umfaßt als die Startphase.
Um auch das StartverhaI ten zu verbessern, sind schon viele Vorschläge gemacht worden. So wurde schon vorgeschlagen, den Katalysatorkörper mit Hilfe von Fremdenergie zu erwärmen, beispielsweise durch einen brennstoffgespeisten Brenner im Kata I ysat &ogr;rgehäuse oder durch eine elektrische Uiderstandshei zung.
Andere Vorschläge beabsichtigen, während der Startphase die Abgase auf ein Teilvolumen des Katalysators zu konzentrieren in der Hoffnung, daß dieser Katalysatorteil dann schneller
seine Betriebstemperatur erreicht (z. B. DE-A-36 29 945). Diese Vorschläge sind jedoch unbrauchbar, da sich mit der Konzentration der Abgase auf einen TeiLquerschnitt die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase erhöht, wodurch sich die Verweildauer der Abgasmoleküle im katalytisch aktiven Kata lysat&ogr;rtei I entsprechend reduziert und die Konversion der schädlichen Abgasbestandteile entsprechend vermindert wird.
Es wurde auch schon vorgeschlagen, zwei parallele Katalysatoren vorzusehen und während der Startphase die Abgase nur auf einen Katalysator zu leiten. Hier wird zwar der in der Startphase allein wirksame Katalysator seine Betriebstemperatur schneller erreichen; sobald jedoch der zweite Katalysator in Betrieb genommen wird, ergibt sich eine zweite Startphase, während der Abgas ungereinigt in die Umgebung gelangt. Darüber hinaus stellen sich in den Abgasrohren erhebliche thermisch bedingte Spannungen und Verformungen ein.
Den neuesten Lösungsvorschlag für das geschilderte Dilemma stellt die in der eingangs erwähnten EP-A-417 412 beschriebene Abgasanlage dar. Diese verwendet den seit nunmehr Jahrzehnten bewährten, weit genug vom Motor entfernt angebrachten Hauptkatalysator für die Hauptbetriebsphase.
Für die Startphase dagegen werden gesonderte Startkata lysat&ogr;ren verwendet, die möglichst nahe am Motor positioniert sind. Als optimale Lösung wird angegeben, diese Startkatalysatoren in den Zylinderkopf zu integrieren.
Während der Startphase durchströmen die Abgase die Startkata I ysat&ogr;ren, die auf diese Weise sehr schnell ihre Betriebstemperatur erreichen. Gleichzeitig heizen sie den Hauptkata lysat&ogr;r allmählich hoch. Sobald der Hauptkata I ysat&ogr;r seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird eine in den Startkatalysatoren vorgesehene Klappe geöffnet.
die einen zentralen Bypaßkanal freigibt. Auf diese Weise soll erreicht werden, daß während der Hauptbetriebsphase die Startkata Iysat&ogr;rkörper nicht überhitzt werden.
Allerdings läßt sich dieses Ziel mit der in der EP-A-417 offenbarten Konstruktion nicht erreichen. Da die den Zylinder verlassenden Abgase sehr stark pulsieren, wird auch bei geöffnetem Bypaß Abgas in die Startkata lysatorkörper gelangen. Gleichzeitig heizt das den Bypaßkanal durchströmende Abgas aufgrund von Strahlung und Konvektion den Startkata I ysat&ogr;rkörper auf. Weitere Probleme entstehen durch die Klappe bzw. deren Betätigungsachse, die durch zwei Gehäusewände des Startkata lysat&ogr; rs hindurchgeführt werden muß. Diese Achsdurchführung muß unter den an dieser Stelle extrem hohen Temperaturen von 900 Grad C und mehr nicht nur dauerhaft betriebsfähig sondern insbesondere auch dauerhaft gasdicht bleiben. Andernfalls gelangt Umgebungs luft in die Abgasanlage, worauf die Lambdasonde ein falsches Luftverhä 11&eegr;is mißt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abgasanlage der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß der Startkatalysatorkörper in der Hauptbetriebsphase thermisch weniger belastet wird als bisher.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine gattungsgemaße Abgasanlage mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1.
Bei der vorliegenden Erfindung sind Zentralkanal und Ringkanal des Startkatalysat&ogr; rs durch die konzentrischen Abgasrohre gleichsam verlängert, so daß die für die Steuerung benötigten Organe, beispielsweise Umscha 11k lappen usw., in einer erheblich größeren Entfernung vom Motor
positioniert werden können, wo sie weit weniger thermisch belastet sind. Außerdem wird der StartkataLysatorkorper von einem Teil der AbgaspuLsationen entlastet.
Dies gilt insbesondere dann, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das innere Abgasrohr durch den Zentralkanal des Startkata lysat&ogr; rs hindurch bis vor dessen Stirnfläche gezogen ist.
Vorzugsweise wird die Wand des ZentraLkanaLs bzw. das entsprechende Teilstück des inneren Abgasrohrs wärmeisoliert. Dadurch werden zwei Vorteile erreicht. In der Startphase gibt der Startkata lysat&ogr;rkörper weniger Wärme an das Zentralrohr ab, heizt sich also schneller auf. In der Hauptbetriebsphase wird von den Abgasen weniger Wärme an den Startkata lysatorkörper abgegeben, dieser bleibt dadurch kühler und altert langsamer.
Hierzu sind zwei Lösungsmöglichkeiten denkbar. Zum einen kann man ein zusätzliches Isolierrohr vorsehen, zum anderen kann man einen Bereich des Startkata lysat&ogr;rkörpers durch eine auf seine Stirnfläche gelegte Ringblende inaktivieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein AbgaszuLeitungsrohrstück trichterförmig in den Zentralkanal bzw. das innere Abgasrohr hineingeführt, so daß dazwischen eine D rosse I steI Ie entsteht. Diese Drosselstelle soll während der Hauptbetriebsphase die Abgaspu I sationen dämpfen, so daß sie, wenn überhaupt, nur noch in abgeschwächter Form den Startkata I ysat&ogr;rkörper erreichen. Da dieser dann keine katalytisch umzusetzenden Abgase mehr zugeführt erhält, steigt seine Eigentemperatur nicht an.
Vorzugsweise ist die Wandstärke des inneren Abgasrohrs geringer als die des äußeren. Dies ist ohne weiteres
möglich, da Form und Festigkeit durch das äußere Abgasrohr gewährleistet werden- Das dünnere Rohr besitzt aufgrund seiner geringeren Masse eine geringere Wärmekapazität, benötigt also weniger Wärmeenergie, um sich aufzuheizen, wodurch sich letztlich der HauptkataLysator schneller erwärmt. Da während der Startphase die Abgase durch den Ringraum zwischen äußerem und innerem Abgasrohr strömen, werden beide Rohre gleichmäßig erwärmt; thermische Verzugsprobleme sind ausgeschaltet. Während der Hauptbetriebsphase dagegen wirkt der Ringraum zwischen äußerem und innerem Abgasrohr als Wärmeisolierung, so daß einerseits dem Hauptkata I ysat&ogr;r mehr Wärme zugeführt und andererseits die thermische Belastung des Kraftfahrzeugchassis reduziert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zum Verschließen des Zentra I kana I s während der Startphase wieder eine Klappe vorgesehen, die jetzt aber am Ende des inneren Abgasrohrs bzw. eines entsprechenden Ver I ängerungs roh rs positioniert wird. Dort ist sie erheblich weniger thermisch belastet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zum Verschließen des Ringkanals während der Hauptbetriebsphase ebenfalls eine Klappe vorgesehen, und zwar ebenfalls am Ende des äußeren Abgasrohrs bzw. einer entsprechenden Verlängerung desselben. Dabei empfiehlt es sich naturgemäß, die beiden Klappen mittels einer geeigneten Kopplung abwechselnd zu öffnen und zu schließen.
Dank der zweiten Klappe ist sichergestellt, daß während der Hauptbetriebsphase keine Abgase mehr in den Startkata I ysat&ogr;rkörper gelangen können, auch wenn die Abgase stark pulsieren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist am Ende der konzentrischen Abgasrohre eine Rohrweiche positioniert. Diese Rohrweiche führt die konzentrischen Abgasrohre in zwei parallele Einfach-Abgas rohre über, in denen dann je eine der Klappen sitzt. Falls es sich um eine Mehrrohr-Abgasanlage handelt mit zwei oder mehr Startkata Iysat&ogr;ren, führt diese Rohrweiche jeweils auch alle inneren Rohre und alle äußeren Rohre zusammen.
Die Steuerung der Klappen kann zweit-, mot &ogr;rkennfeId- und/oder abgasgegendruckabhängig erfolgen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die konzentrischen Abgasrohre in die akustische Abstimmung der Abgasanlage einzubeziehen. Da bei geringer Motorleistung Abgasrohr mit geringem Querschnitt akustisch vorteilhaft sind, wird in diesem Betriebszustand immer und nicht nur während der eigentlichen Startphase der Ringraum zwischen innerem und äußerem Abgasrohr geöffnet. Bei hoher Motorleistung dagegen sind Rohre mit großem Querschnitt akustisch vorteilhafter. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, die konzentrischen Abgasrohre als Lambda-Vierte l-Leitungen zu dimensionieren, die mittels Klappen bedarfsweise zu- und abgeschaltet werden.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Abgasanlage für einen Dreizy I inder-Motor ,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Abgasanlage der Fig. 1 im Bereich der Umscha 11k I appe in vergrößerter Darstellung,
Fig. 3 eine Abgasanlage für einen Sechszylinder-Motor,
Fig. 4 ausschnittsweise eine Variante zu der Abgasanlage der
ea ce „8
Fig. 3,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen ersten StartkataLysat&ogr;r und
Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen zweiten Startkatalysator.
In Fig. 1 erkennt man eine AbgasanLage für einen DreizyLinder-Mot&ogr;r mit Motorkrümmer 1. Direkt hinter dem Motorkrümmer 1 ist je ein Startkata Lysat&ogr;r 2 vorgesehen mit einem zentralen Bypaßkanal 3 und einem den Startkata lysat&ogr;rkörper 2' enthaltenden Ringkanal 4.
Am Ausgangstrichter des Startkata lysat&ogr;rs 2 sind zwei konzentrische Rohre 6, 7 angeschweißt, und zwar so, daß das innere Abgasrohr 7 mit dem Zentralkanal 3, das äußere Abgasrohr 6 mit dem Ringkanal 4 in Verbindung steht. Das innere Abgasrohr 7 ist durch den Zentralkanal 3 hindurchgeführt bis vor die Stirnfläche des St artkata lysatorkörpers 2'. Ein AbgaszuIeitungsrohrstück 5 ist vom Eingangstrichter des Startkata lysat &ogr;rs 2 ausgehend trichterartig in den Zentralkanal 3 bzw. das innere Abgasrohr 7 hineingeführt, so daß zwischen den beiden eine Drosselstelle entsteht, die die in den vom Motor kommenden Abgasen enthaltenen Pulsationen drosseln soll, bevor sie den Startkatalysat&ogr;rkör per 2' erreichen.
Das vom Startkata lysat&ogr;r 2 entfernte Ende des inneren Abgasrohrs 7 ist mittels einer Klappe 11 während der Startphase verschließbar. Diese Klappe 22 ist thermisch wenig belastet.
Hinter der Klappe 11 werden die Abgase durch ein einziges Abgasrohr 13 weitergeführt zum Hauptkata I ysat&ogr;r 14, der so
ausreichend weit vom Motor entfernt positioniert werden kann, wie es für eine Lange Lebensdauer erforderlich ist.
Während der Startphase wird die UmschaLtkLappe 11 so gestellt, daß die vom Abgaskrümmer 1 kommenden Abgase durch die 0 rosse I ste I I e zwischen Zentralkanal 3 und Trichter 5 in den Ringraum 4 und zum Startkata lysat&ogr;rkörper 2' gelangen, wo sie katalytisch gereinigt werden. Anschließend strömen die gereinigten Abgase durch den Ringraum zwischen äußerem und innerem Abgasrohr 6, 7. Dabei heizen sich beide Rohre 6, 7 gleichmäßig auf, so daß thermische Verzugsprobleme nicht auftreten. Die zum Aufheizen der Rohre 6, 7 benötigte Wärmemenge läßt sich dadurch reduzieren, daß das innere Abgasrohr 7 erheblich dünnwandiger gemacht wird als das äußere Abgasrohr 6. Hinter der Klappe 11 werden dann wie schon erwähnt die Abgasströme zusammengeführt.
Nachdem auch der Hauptkata lysat&ogr;r 14 seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird die Umscha 11k I appe 11 umgeschaltet. Dadurch strömen die Abgase jetzt direkt durch den zentralen Bypaßkanal 3 und das innere Abgasrohr 6. Der Startkata lysat&ogr;rkörper 2' wird nicht mehr durchströmt. Er kann sich abkühlen, was seiner Lebensdauer zugute kommt. Gleichzeitig wirkt der Ringraum zwischen äußerem und innerem Abgasrohr 6, 7 als Luftiso I ierung, so daß die Abgasrohre 6, 7 weniger Wärme an die Umgebung abstrahlen. Dies reduziert nicht nur die thermische Belastung beispielsweise des Kraftfahrzeugchassis, sondern sorgt für eine verbesserte Beheizung des Hauptkatalysat&ogr; rs 14.
Der Platzmehrbedarf durch die Verwendung von konzentrischen Rohren ist erheblich geringer als bei Verwendung zweier paralleler Rohre, bei denen zwangsläufig auch thermische Verzugs&rgr; rob L erne auftreten wurden.
3.,'Seite lü
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1. Dargestellt ist eine Halterung 18 mit radialen Streben in dem Ringraum zwischen äußerem und innerem Abgasrohr 6, 7.
In Fig. 3 erkennt man eine Abgasanlage für einen Sechszylinder-Motor mit zwei Motorkrümmern 1, zwei Startkata lysat&ogr;ren 2 und zwei konzentrischen Abgasrohren 6, 7. Letztere sind an ihren von den Startkatalysat&ogr;ren 2 entfernten Enden in eine Rohrweiche 10 geführt, wo jeweils die inneren Abgasrohre 7 und die äußeren Abgasrohre 6 zusammengeführt und auf zwei parallele Rohre 8, 9 verzweigt werden. Diese Verzweigung ist erforderlich, um die möglichst einfachen und preiswerten Klappen 11, 12 abwechselnd den einen oder den anderen Abgaskanal zu sperren.
Wie Fig. 3 zeigt, können die äußeren Abgasrohre 6 im Bereich der Rohrweiche 10 mit einer Perforierung 17 versehen werden. Dadurch strömen die Abgase in den Außenbereich der Rohrweiche 10 und dann zur Klappe 12.
Es bestehen aber noch weitere Möglichkeiten, die akustische Abstimmung der Abgasanlage zu beeinflussen. Bekannt ist, daß bei geringen Motorleistungen Abgasrohre mit geringem Querschnitt, bei hohen Motorleistungen dagegen Abgasrohre mit großem Querschnitt akustisch vorteilhaft sind. Dem kann man dadurch Rechnung tragen, daß nicht nur während der eigentlichen Startphase, sondern immer dann, wenn eine geringe Motorleistung abgegeben wird, die Abgase durch den Ringkanal zwischen äußerem und innerem Abgasrohr 6, 7 geleitet werden. Dabei fließen sie natürlich auch über den Startkatalysatorkörper 2', was jedoch tolerierbar ist, da in diesem Betriebszustand die Abgase nicht so heiß sind.
Bei großen Motorleistungen wird man beide Klappen 11, 12
öffnen, um so den maximalen Rohrquerschnitt akustisch zu aktivieren.
Schließlich besteht auch noch die Möglichkeit, die Längen von innerem und äußerem Abgasrohr 6, 7 so abzustimmen, daß sie für bestimmte Frequenzen als Lambda-Viertel-Rohre w i r k e &eegr; .
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus der Abgasanlage der Fig. im Bereich der Rohrweiche 10. Hier fehlt die Perforierung 17, die akustische Abstimmung wird allein durch die UmschaLtklappen 11, 12 realisiert.
Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch einen Startkata Iy sat &ogr;r 2. Der Zentralkanal 3 ist von einem Isolierrohr 15 umgeben, wobei die Isolierung im wesentlichen durch einen Luftspalt zwischen den beiden Rohren erzielt wird. Dadurch wird der Wärmeübergang zwischen zentralem Bypaßkanal 3 und Startkata I ysat&ogr;rkörper 2' entscheidend reduziert.
Fig. 6 zeigt ebenfalls einen Längsschnitt durch einen Startkata lysat&ogr;r 2 mit Isolierung zwischen zentralem Bypaßkanal 3 und Startkata I ysat&ogr;rkörper 2'. In diesem Fall ist der direkt an den zentralen Bypaßkanal 3 angrenzende Bereich des Startkata lysat&ogr;rkörpers 2' durch eine auf die Stirnfläche gelegte Ringblende 16 inaktiviert.

Claims (18)

Sc hut &zgr;ansprüche:
1. AbgasanLage für Verbrennungsmotoren, umfassend einen Hauptkata lysat&ogr;r (14), wenigstens einen StartkataLysat&ogr;r (2) und wenigstens ein Abgasrohr (6, 13) dazwischen, wobei der Startkata Lysator (2) möglichst nahe am Motor positioniert ist und einen während der Startphase verschLießbaren ZentralkanaL (3) sowie einen ihn umgebenden, wenigstens einen StartkataLysat&ogr;rkörper (2') enthaltenden RingkanaL (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Startkata Lysat &ogr;r (2) zwei konzentrische Abgasrohre (6, 7) vorgesehen sind und daß der ZentralkanaL (3) in das innere Abgasrohr (7) , der RingkanaL (4) in den Ringraum zwischen den konzentrischen Abgasrohren (6, 7) mündet.
2. AbgasanLage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Abgasrohr (7) durch den ZentraLkanal (3) des StartkataLysat&ogr; rs (2) hindurch bis vor dessen Stirnfläche gezogen ist.
3. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Zentra I kanaLs (3) bzw. das entsprechende Teilstück des inneren Abgasrohrs (7) wä rme isoliert ist.
4. Abgasanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Zentralkanal (3) umhüllendes IsoLierrohr (15) vorgesehen ist.
5. Abgasanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine den ZentralkanaL (3) umgebende Ringblende (16) auf die Stirnfläche des StartkataLysat&ogr;rkörpers (2') geLegt ist.
6. AbgasanLage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein AbgaszuLeitungsrohrstück (5)
trichterförmig in den Zentralkanal (3) bzw. das innere Abgasrohr (7) hineingeführt ist, so daß dazwischen eine D rosse LsteLLe entsteht.
7. AbgasanLage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des inneren Abgasrohrs (7) geringer ist aLs die des äußeren Abgasrohrs (6).
8. AbgasanLage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die KLappe (11) zum Verschließen des Z entra Lkana Ls (3) vorgesehen am Ende des inneren Abgasrohrs (7) bzw. eines entsprechenden Verlängerungsrohres (9) positioniert ist.
9. AbgasanLage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine KLappe (12) zum Verschließen des Ringkanals (4) vorgesehen und am Ende des äußeren Abgasrohrs (6) bzw. eines entsprechenden Verlängerungsrohres (8) positioniert ist.
10. AbgasanLage nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Klappen (11, 12) abwechselnd öffnen und schließen.
11. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der konzentrischen Abgasrohre (6, 7) eine Rohrweiche (10) positioniert ist.
12. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitabhängige Steuervorrichtung für die Klappen (11, 12) vorgesehen ist.
13. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine mot&ogr;rkennfeIdabhängige Steuervorrichtung für die Klappen (11, 12) vorgesehen ist.
14. AbgasanLage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine abgasgegendruckabhängige
Steuervorrichtung für die Klappen (11, 12) vorgesehen ist.
15. AbgasanLage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine drehzahLabhängige Steuervorrichtung für die Klappen (11, 12) vorgesehen ist.
16. AbgasanLage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des RingkanaLs zwischen innerem und äußerem Abgasrohr (6, 7) auf akustische
Wirksamkeit hin dimensioniert ist.
17. AbgasanLage nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des inneren Abgasrohrs
(7) auf akustische Wirksamkeit hin dimensioniert ist.
18. AbgasanLage nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das innere und/oder das äußere der
konzentrischen Abgasrohre (6, 7) aLs akustisch wirksames
Lambda-VierteL-Rohr dimensioniert ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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