EP0313922A1 - Verfahren zur Beeinflussung der Temperatur von Abgasen und Abgasanlage zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Beeinflussung der Temperatur von Abgasen und Abgasanlage zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP0313922A1 EP88116975A EP88116975A EP0313922A1 EP 0313922 A1 EP0313922 A1 EP 0313922A1 EP 88116975 A EP88116975 A EP 88116975A EP 88116975 A EP88116975 A EP 88116975A EP 0313922 A1 EP0313922 A1 EP 0313922A1
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    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters

Definitions

  • the invention relates to a method for influencing the temperature of exhaust gases in the inlet region of an exhaust gas cleaning device provided in an exhaust system, in particular an exhaust gas catalytic converter, an internal combustion engine, and to an exhaust system for carrying out this method.
  • Exhaust gas cleaning devices or the exhaust gases of an internal combustion engine to be cleaned therein require a certain operating temperature for the successful conversion of harmful exhaust gas components, which should not fall below a lower threshold value and, in particular in the case of exhaust gas catalysts, should always be below an upper limit value. If the upper limit value is exceeded, the degree of conversion of an exhaust gas catalytic converter deteriorates due to thermal aging; if extremely high temperature peaks occur, even melting of the monolith arranged in the exhaust gas catalytic converter can occur. On the other hand, it is necessary to bring the exhaust gas catalytic converter to the minimum operating temperature required for a successful conversion within the shortest possible time.
  • a method for generating an optimal exhaust gas inlet temperature for the exhaust gas catalytic converter of internal combustion engines has become known from the generic DE-OS 34 06 968.
  • the engine exhaust is divided into two partial flows, one of which is cooled and the other is not cooled; the partial streams are recombined upstream of the catalyst and the catalyst temperature is regulated by changing the quantitative ratio of the two partial streams.
  • that known method gives usable results, it is very expensive to implement. This is because two separate exhaust gas lines are required, each of which is able to accommodate the entire resulting exhaust gas stream, with complex cooling measures which increase the space required being required for the exhaust gas stream to be cooled.
  • a switching mechanism which is particularly complex with regard to the sealing, is required in order to be able to divide the exhaust gas flow as desired between the two different exhaust gas lines.
  • the object of the present invention is to provide a method according to the preamble of the first claim, which requires a construction work that is significantly reduced compared to the known method. This object is achieved by the characterizing features of the first claim.
  • an exhaust gas partial stream removed from the exhaust gas system downstream of the exhaust gas cleaning device is introduced into the exhaust gas system upstream of the exhaust gas cleaning device, effective cooling of the exhaust gas in the inlet area of the exhaust gas cleaning device can be achieved with this partial stream.
  • the return line required for the partial flow can be designed to be extremely simple: this is because only one partial flow is conducted only a small amount of space is required.
  • complex cooling measures can be dispensed with, since the cooling effect achieved over the return path is sufficient for the desired temperature reduction after the partial flow has been introduced into the exhaust system.
  • the method according to the invention is particularly suitable for exhaust gas systems with exhaust gas catalysts, since the exhaust gas partial stream removed downstream of the exhaust gas catalyst does not contain any free oxygen, so that after the partial stream is introduced into the exhaust gas system, afterburning hydrocarbons which may be present in the exhaust gas stream, no afterburning which is damaging to the catalyst can take place. If there is an oxygen probe in the exhaust system, with the aid of which the internal combustion engine is operated with a stoichiometric mixture for optimal conversion of the exhaust gas in the exhaust gas catalytic converter, the measurement result thereof is also not influenced by the exhaust gas partial flow returned for cooling purposes, since this partial flow, if it is downstream of the Exhaust gas catalyst is removed, can not contain free oxygen.
  • the partial stream can thus already be added to the exhaust gas upstream of the oxygen probe, so that the probe is also subjected to lower exhaust gas temperatures.
  • the method according to the invention is also advantageous with regard to the conversion of harmful exhaust gas components: because the exhaust gas catalytic converter flows through at least one partial exhaust gas stream twice, a tendency to reduce the exhaust gas emissions that can still be measured after the catalytic converter can be determined.
  • the exhaust gas can, for example, as a function of that upstream by means of a temperature sensor Exhaust gas temperature determined, the partial flow required for the required exhaust gas cooling are determined and provided.
  • an exhaust system for carrying out the method according to the invention are described in claims 3 to 7. Accordingly, a simple return line without complex additional measures can be provided for the partial exhaust gas flow if a check valve is provided in this return line.
  • the check valve prevents the exhaust gases from leaving the exhaust system upstream of the exhaust gas cleaning device.
  • the path for the partial stream taken downstream of the exhaust gas purification device is released in the event of negative pressure; The partial flow is thus automatically conveyed into the exhaust system upstream of the exhaust gas cleaning device.
  • a throttle element which controls the quantity of the exhaust gas partial flow can be provided, for example in the form of a clocking solenoid valve.
  • the element provided in the return line can be designed as a conveying device for the recirculated exhaust gas partial flow.
  • Conveying devices of this type for example pumps or small flow compressors, convey the desired partial exhaust gas stream upstream of the exhaust gas catalytic converter back into the exhaust system at operating points of the internal combustion engine in which the exhaust gas pressure downstream of the exhaust gas catalytic converter is not sufficient.
  • the conveyor device can Take over the function of the check valve and the throttle element.
  • An exhaust gas system is flanged to an internal combustion engine 1. This consists of two elbows 3a, 3b, an adjoining exhaust pipe 4, in which an oxygen sensor 5 is arranged, and which opens into the exhaust gas purification device (catalyst) 6. This is followed by a rear silencer 7 via a pipe connection.
  • two return lines 8a, 8b branch off from the exhaust system 2 between the catalytic converter 6 and the rear muffler 7 and open into the manifolds 3a, 3b.
  • a check valve 9 and a solenoid valve 10 are arranged in the return line 8a.
  • the check valve 9 prevents exhaust gas from reaching the rear silencer 7 via the return line 8 in the opposite direction of the arrow 11 directly from the manifold 3a.
  • Another embodiment is implemented in the exhaust line 8b, which contains a conveyor device 12 for the exhaust gas partial flow to be recycled.
  • the conveying device 12 controllably conveys a partial exhaust gas flow in the direction of the arrow 11 to the manifold 3b.
  • Those partial flows cool down in particular in the return lines 8 to such an extent that the exhaust gas flow emitted by the internal combustion engine 1 is reduced to a level which is compatible with the catalyst 6 by admixing these partial flows with its temperature.
  • the solenoid valve 10 or the conveyor device 12 By appropriate control of the solenoid valve 10 or the conveyor device 12, the partial flows guided via the return lines 8 can be controlled in such a quantity that the temperature level reaches a desired value after being brought together in the elbows 3 or in the exhaust pipe 4.
  • This temperature level can be determined, for example, by a temperature sensor, not shown, which engages the solenoid valve 10 or the conveying device 12 via a control unit, also not shown.
  • the exemplary embodiment shown merely represents a possible exhaust system for carrying out the method according to the invention for influencing the temperature of exhaust gases; Modifications from this are easily conceivable.
  • the general is essential The idea of the invention, according to which an exhaust gas partial stream removed from the exhaust gas system downstream of the exhaust gas cleaning device is introduced into the exhaust gas system upstream of the exhaust gas cleaning device in order to influence, in particular reduce, the temperature level of the exhaust gases located there.

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Abstract

Beschrieben ist ein Verfahren zur Herabsetzung der Temperatur von Abgasen vor ihrem Eintritt in einen Abgaskatalysator. Dazu wird stromab des Abgaskatalysators (6) aus der Abgasanlage (2) ein Abgasteilstrom entnommen, welcher dieser stromauf des Abgaskatalysators wieder zugeführt wird. Jener sich insbesondere in den Rückführleitungen (8a, 8b) abkühlender Abgasteilstrom senkt dabei das Temperaturniveau des vor dem Abgaskatalysator befindlichen Abgases. In den Rückführleitungen sind Rückschlagventile (9) vorgesehen, welche verhindern, daß Abgas stromauf des Katalysators abgezweigt wird, den Weg für den zurückzuführenden Teilstrom aufgrund des in den Abgaskrümmern periodisch auftretenden Unterdruckes jedoch freigeben. Alternativ ist eine Fördervorrichtung (12) für den rückzuführenden Teilstrom vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beein­flussung der Temperatur von Abgasen im Eintrittsbereich einer in einer Abgasanlage vorgesehenen Abgas-Reini­gungsvorrichtung, insbesondere eines Abgas-Katalysators, einer Brennkraftmaschine, sowie auf eine Abgasanlage zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Abgas-Reinigungsvorrichtungen bzw. die darin zu reini­genden Abgase einer Brennkraftmaschine benötigen zur erfolgreichen Konvertierung schädlicher Abgasbestand­teile eine gewisse Betriebstemperatur, welche einen unteren Schwellwert nicht unterschreiten sollte, und insbesondere bei Abgaskatalysatoren stets unterhalb eines oberen Grenzwertes liegen sollte. Bei Überschrei­ten des oberen Grenzwertes verschlechtert sich der Konvertierungsgrad eines Abgaskatalysators aufgrund thermischer Alterung; bei Auftreten von extrem hohen Temperaturspitzen können sogar Anschmelzungen des im Abgaskatalysator angeordneten Monolithen auftreten. Andererseits ist es erforderlich, den Abgaskatalysator nach einem Start der Brennkraftmaschine binnen kürzest­möglicher Zeit auf die für eine erfolgreiche Konvertie­rung erforderliche minimale Betriebstemperatur zu bringen.
  • Ein Verfahren zur Erzeugung einer optimalen Abgasein­gangstemperatur für den Abgaskatalysator von Verbren­nungsmotoren ist aus der gattungsbildenden DE-OS 34 06 968 bekannt geworden. Dabei wird das Motorabgas in zwei Teilströme geteilt, von denen einer gekühlt und der andere nicht gekühlt wird; die Teilströme werden vor dem Katalysator wieder vereinigt und die Katalysatortempera­tur wird durch Veränderung des Mengenverhältnisses der beiden Teilströme geregelt.
    Obgleich jenes bekannte Verfahren brauchbare Resultate liefert, so ist es doch in der Ausführung mit großem Aufwand verbunden. Erforderlich sind dabei nämlich zwei separate Abgasleitungen, welche jeweils den gesamten anfallenden Abgasstrom aufzunehmen vermögen, wobei für den zu kühlenden Abgasstrom den Platzbedarf erhöhende aufwendige Kühlmaßnahmen erforderlich sind. Desweiteren wird ein insbesondere hinsichtlich der Abdichtung aufwendiger Umschaltmechanismus benötigt, um den Abgas­strom wunschgemäß auf die beiden verschiedenen Abgaslei­tungen aufteilen zu können.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs aufzuzeigen, welches zur Durchführung einen gegenüber dem bekannten Verfahren deutlich reduzierten Bauaufwand erfordert. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.
  • Wird ein der Abgasanlage stromab der Abgas-Reinigungs­vorrichtung entnommener Abgas-Teilstrom stromauf der Abgas-Reinigungsvorrichtung in die Abgasanlage einge­leitet, so ist mit diesem Teilstrom eine wirkungsvolle Kühlung des Abgases im Eintrittsbereich der Abgas-Reini­gungsvorrichtung erzielbar. Die für den Teilstrom erforderliche Rückführleitung kann dabei äußerst einfach ausgebildet sein: So ist - da nur ein Teilstrom geführt wird - lediglich ein geringer Platzbedarf erforderlich. Desweiteren kann auf aufwendige Kühlmaßnahmen verzichtet werden, da die über der Rückführstrecke erzielte Kühl­wirkung für die erwünschte Temperaturabsenkung nach Einleitung des Teilstromes in die Abgasanlage ausrei­chend ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Abgasanlagen mit Abgaskatalysatoren, da der stromab des Abgaskatalysators entnommene Abgas-Teilstrom keinen freien Sauerstoff enthält, so daß nach Einleitung des Teilstromes in die Abgasanlage bei eventuell im Abgas­strom vorhandenen unverbrannten Kohlenwasserstoffen keine den Katalysator schädigende Nachverbrennung stattfinden kann. Befindet sich in der Abgasanlage eine Sauerstoffsonde, mit Hilfe derer die Brennkraftmaschine zur optimalen Konvertierung des Abgases im Abgaskataly­sator mit stöchiometrischem Gemisch betrieben wird, so wird deren Meßergebnis durch den zu Kühlzwecken zurück­geführten Abgas-Teilstrom ebenfalls nicht beeinflußt, da dieser Teilstrom, wenn er stromab des Abgaskatalysators entnommen wird, keinen freien Sauerstoff enthalten kann. Vorteilhafterweise kann der Teilstrom dem Abgas somit bereits stromauf der Sauerstoffsonde beigemengt werden, so daß auch die Sonde mit geringeren Abgas-Temperaturen beaufschlagt wird.
    Von Vorteil ist das erfindungsgemäße Verfahren desweite­ren hinsichtlich der Konvertierung schädlicher Abgasbe­standteile: Wegen der zweimaligen Durchströmung zu­mindest eines Abgasteilstromes durch den Abgaskataly­sator ist eine tendenzielle Verringerung der nach dem Katalysator noch meßbaren Abgasemissionen feststellbar.
  • Ist gemäß Anspruch 2 der Abgas-Teilstrom mengenmäßig steuerbar, so kann, beispielsweise in Abhängigkeit von der mittels eines Temperaturfühlers stromauf der Abgas­ Reinigungsvorrichtung ermittelten Abgastemperatur die für die erforderliche Abgaskühlung benötigte Teilstrom­menge ermittelt und bereitgestellt werden.
  • Vorteilhafte Ausbildungen einer Abgasanlage zur Durch­führung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 3 bis 7 beschrieben. Demnach kann für den Abgas-Teilstrom eine einfache Rückführleitung ohne aufwendige Zusatzmaßnahmen vorgesehen sein, wenn in dieser Rückführleitung ein Rückschlagventil vorgesehen ist. Jenes Rückschlagventil hindert die Abgase daran, die Abgasanlage bereits stromauf der Abgas-Reinigungs­vorrichtung zu verlassen. Durch die von der periodischen Gaswechsel-Steuerung hervorgerufenen, in der Abgasanlage auftretenden Druckschwingungen wird jedoch bei Unter­druck der Weg für den stromab der Abgas-Reinigungsvor­richtung entnommenen Teilstrom freigegeben; der Teil­strom wird stromauf der Abgas-Reinigungsvorrichtung somit selbsttätig in die Abgasanlage gefördert. Zusätz­lich bzw. alternativ zu jenem Rückschlagventil kann ein den Abgas-Teilstrom mengenmäßig steuerndes Drosselorgan beispielsweise in Form eines taktenden Magnetventiles vorgesehen sein.
  • Ebenso kann das in der Rückführleitung vorgesehene, allgemein als Regelorgan bezeichnete und die Strömungs­verhältnisse in der Rückführleitung beeinflussende Element als Fördereinrichtung für den rückgeführten Abgas-Teilstrom ausgebildet sein. Derartige Förderein­richtungen, beispielsweise Pumpen oder kleine Strö­mungsverdichter fördern in Betriebspunkten der Brenn­kraftmaschine, in denen der stromab des Abgaskataly­sators herrschende Abgasdruck nicht ausreichend ist, den gewünschten Abgas-Teilstrom stromauf des Abgaskataly­sators in die Abgasanlage zurück. Bei entsprechender Ausgestaltung kann dabei die Fördervorrichtung die Funktion des Rückschlagventiles sowie des Drosselorganes übernehmen. Stets empfiehlt es sich dabei, gemäß An­spruch 7 die Mündung der Rückführleitung in dem an der Brennkraftmaschine angeflanschten Abgaskrümmer vorzu­sehen, da hiermit nicht nur eine hohe Abkühlrate er­zielbar ist, sondern dort auch der höchstmögliche Förder-Unterdruck auftritt. Dies ist vorteilhaft in Anwendungsfällen, in denen die Rückführung aufgrund der in der Abgasanlage auftretenden Druckschwingungen erfolgt.
  • Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines nur prinzipiell dargestellten, bevorzugten Ausführungs­beispieles näher beschrieben.
  • An eine Brennkraftmaschine 1 ist eine in ihrer Gesamt­heit mit 2 bezeichnete Abgasanlage angeflanscht. Diese setzt sich zusammen aus zwei Krümmern 3a, 3b, einem sich daran anschließenden Abgasrohr 4, in welchem ein Sauer­stoffühler 5 angeordnet ist, und welches in die Abgas-­Reinigungsvorrichtung (Katalysator) 6 mündet. An diese schließt sich über eine Rohrverbindung ein Nachschall­dämpfer 7 an.
  • Erfindungsgemäß zweigen von der Abgasanlage 2 zwischen dem Katalysator 6 sowie dem Nachschalldämpfer 7 zwei Rückführleitungen 8a, 8b ab, welche in die Krümmer 3a, 3b münden. In der Rückführleitung 8a ist ein Rück­schlagventil 9 sowie ein Magnetventil 10 angeordnet. Das Rückschlagventil 9 verhindert dabei, daß Abgas über die Rückführleitung 8 entgegen der Pfeilrichtung 11 direkt von dem Krümmer 3a zum Nachschalldämpfer 7 gelangen kann. Eine andere Ausbildung ist in der Abgasleitung 8b realisiert, welche eine Fördervorrichtung 12 für den rückzuführenden Abgas-Teilstrom enthält.
  • Ist das Magnetventil 10 offen, so wird aufgrund des in den Krümmern 3 periodisch auftretenden Unterdruckes unter Zuhilfenahme des vor dem Nachschalldämpfer 7 vorhandenen geringen Abgasgegendruckes (Überdruck) ein Teilstrom von Abgas, welches den Katalysator 6 bereits passiert hatte, über die Rückführleitung 8a in Pfeil­richtung 11 in den Krümmer 3a eingeleitet. In ähnlicher Weise fördert die Fördervorrichtung 12 steuerbar einen Abgas-Teilstrom gemäß Pfeilrichtung 11 zum Krümmer 3b.
  • Jene Teilströme kühlen sich dabei insbesondere in den Rückführleitungen 8 soweit ab, daß der von der Brenn­kraftmaschine 1 abgegebene Abgasstrom durch Beimischung dieser Teilströme mit seiner Temperatur auf ein für den Katalysator 6 verträgliches Niveau abgesenkt wird. Durch entsprechende Ansteuerung des Magnetventiles 10 bzw. der Fördervorrichtung 12 können dabei die über die Rück­führleitungen 8 geführten Teilströme mengenmäßig derart gesteuert werden, daß das Temperaturniveau nach Zusam­menführung in den Krümmern 3 bzw. im Abgasrohr 4 einen gewünschten Wert erreicht. Ermittelt werden kann dieses Temperaturniveau beispielsweise durch einen nicht gezeigten Temperaturfühler, welcher über eine ebenfalls nicht gezeigte Steuereinheit auf das Magnetventil 10 bzw. die Fördervorrichtung 12 eingreift.
  • Da der nach dem Katalysator 6 entnommene Abgasteilstrom keinen freien Sauerstoff enthält, wird durch die Bei­mengung jenes Teilstromes in den Krümmern 3 die Regelung des der Brennkraftmaschine zugeführten stöchiometrischen Gemisches durch den Sauerstoffühler 5 nicht weiter beeinflußt. Das gezeigte Ausführungsbeispiel stellt lediglich eine mögliche Abgasanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beeinflussung der Temperatur von Abgasen dar; Abwandlungen hiervon sind ohne weiteres denkbar. Wesentlich ist der allgemeine Erfindungsgedanke, wonach ein der Abgasanlage stromab der Abgas-Reinigungsvorrichtung entnommener Abgas-Teil­strom stromauf der Abgas-Reinigungsvorrichtung in die Abgasanlage eingeleitet wird, um das Temperaturniveau der dort befindlichen Abgase zu beeinflussen, insbeson­dere herabzusetzen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Beeinflussung der Temperatur von Abgasen im Eintrittsbereich einer in einer Abgas­anlage vorgesehenen Abgas-Reinigungsvorrichtung, insbesondere eines Abgas-Katalysators, einer Brennkraftmaschine,
dadurch gekennzeichnet, daß ein der Abgasanlage (2) stromab der Abgas-Reinigungsvorrichtung (6) ent­nommener Abgas-Teilstrom stromauf der Abgas-Reini­gungsvorrichtung (6) in die Abgasanlage (2) ein­geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abgas-Teilstrom mengenmäßig steuerbar ist.
3. Abgasanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß für den Abgas-Teilstrom eine stromab der Abgas-Reinigungsvorrichtung (6) von der Abgasanlage (2) abzweigende sowie stromauf der Abgas-Reinigungsvorrichtung (6) in die Abgas­anlage (2) mündende Rückführleitung (8) vorgesehen ist, in welcher ein Regelorgan angeordnet ist.
4. Abgasanlage nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan als Rückschlagventil (9) ausgebildet ist.
5. Abgasanlage nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan als ein die Durchflußmenge in Abhängigkeit von der Abgas­temperatur im Eintrittsbereich der Abgas-Reini­gungsvorrichtung (6) steuerndes Drosselorgan (Magnetventil 10) ausgebildet ist.
6. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan als Fördervorrichtung (12) für den rückzuführenden Abgas-Teilstrom ausgebildet ist.
7. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (8) in die Abgas-Krümmer (3a, 3b) mündet.
EP88116975A 1987-10-30 1988-10-13 Verfahren zur Beeinflussung der Temperatur von Abgasen und Abgasanlage zur Durchführung des Verfahrens Expired - Lifetime EP0313922B1 (de)

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