DE19634367C1 - Brennkraftmaschine mit einer Abgasleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit ei­ ner Abgasleitung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist allgemein bekannt, daß im Anschluß an einen Kaltstart einer Brennkraftmaschine zunächst ein starker Wärmeübertrag vom Abgas an den noch kalten Abgasleitungsabschnitt strömungsauf­ wärts von einem Katalysator erfolgt, so daß das Abgas im Ein­ gangsbereich des Katalysators eine geringe Temperatur aufweist und den Katalysator nicht auf eine für eine optimale Schad­ stoffminderung erforderliche Anspringtemperatur erwärmen kann. Es ist weiterhin bekannt, dieser Tatsache durch einen vorge­ schalteten beheizbaren Vorkatalysator zu begegnen, der ein Er­ wärmen eines dem Katalysator vor dem Kaltstart zugeführten Gasstromes bewirkt, so daß der Katalysator schneller seine An­ springtemperatur erreicht.

So zeigt die DE 41 04 165 A1 eine gattungsgemäße Brennkraftma­ schine mit einer Leitung, in der ein elektrisch beheizter Vor­ katalysator und strömungsabwärts zu diesem ein Hauptkatalysator angeordnet ist. Vor einem Kaltstart der Brennkraftmaschine wird ein Kraftstoff-Luftgemisch in dem bereits auf seine Betriebs­ temperatur erwärmten Vorkatalysator verbrannt. Dabei entstehen heiße Verbrennungsgase im Vorkatalysator, die mittels eines Ge­ bläses dem strömungsabwärts liegenden Hauptkatalysator zu des­ sen Erwärmung zugeführt werden.

Ein Nachteil der gattungsgemäßen Brennkraftmaschine liegt in der aufwendigen und dadurch teuren Einrichtung zur Erwärmung des Hauptkatalysators vor dem Start der Brennkraftmaschine.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die Zeit­ schrift "Automotive Engineering (September 1994)" Seite 31-35 verwiesen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art derart auszubilden, daß die Wirkung des Ka­ talysators in der Kaltstartphase unter Verzicht aufwendiger Einrichtungen verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Brennkraftma­ schine liegt in der bereits vor dem Kaltstart einsetzenden Strömungsbewegung des durch den Vorkatalysator erwärmten Gases in den Hauptkatalysator, wobei der Vorkatalysator als elektri­ sche Heizwendel, auch Heizkatalysator genannt, ausgebildet sein kann. Das vor dem Start der Brennkraftmaschine im Vorkatalysa­ tor erwärmte Gas steigt infolge freier Konvektion in der Abgas­ leitung sofort in den Hauptkatalysator auf, der somit innerhalb kürzester Zeit seine Anspringtemperatur erreicht. Das Aufstei­ gen des Gases in den Hauptkatalysator erfolgt gänzlich ohne zu­ sätzliche fremdbetriebene Strömungseinrichtungen, da die "Kaminwirkung" der speziellen Anordnung von Vor- und Hauptkata­ lysator ausgenutzt wird. Die gegenüber der Dichte des kalten Gases geringere Dichte des erwärmten Gases bewirkt dessen so­ fortiges Aufsteigen vom Vorkatalysator in den geodätisch höher­ liegenden Hauptkatalysator.

Die Anordnung einer steuerbaren Öffnung strömungsaufwärts der beiden Katalysatoren in der Abgasleitung gewährleistet ein aus­ reichendes Zuführen von Luft, so daß der "Kaminwirkungseffekt", insbesondere auch bei stehender Brennkraftmaschine, stets ge­ währleistet ist.

Bei Brennkraftmaschinen mit ausreichender Zylinderzahl und da­ durch ausreichenden Ventilüeberschneidungen kann die Öffnung durch eine geöffnete Stellung der Gaswechselkanäle der Brenn­ kraftmaschine gebildet sein, so daß eine separate Öffnung ent­ fallen kann.

Eine zusätzliche Unterstützung der "Kaminwirkung" ist möglich, indem ein Hilfsgebläse strömungsaufwärts oder strömungsabwärts der Katalysatoren in der Abgasleitung oder der Luftzuführungs­ leitung angeordnet ist.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus dem übrigen Unteranspruch und der Beschreibung hervor.

In der einzigen Figur ist im folgenden ein Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Sie zeigt eine sche­ matisch dargestellte Brennkraftmaschine 1, die über einen Ab­ gaskrümmer 2 mit einer Abgasleitung 3 verbunden ist. In der Ab­ gasleitung 3 ist ein heizbarer Vorkatalysator 4, sowie ein die­ sem in Gasströmungsrichtung 5 nachfolgender Hauptkatalysator 6 angeordnet. Strömungsabwärts zu diesem ist ein Schalldämpfer 7 angeordnet. Der Vorkatalysator 4 kann im übrigen elektrisch be­ treibbar sein.

Der Effekt der Schadstoffminderung im Abgas mittels des Haupt­ katalysators 6 ist am größten, wenn dieser bereits vor dem Start der Brennkraftmaschine 1 von dem beheizten Vorkatalysator 4 auf eine optimale Anspringtemperatur gebracht wird. Um diese Erwärmung des Hauptkatalysators 6 auf seine Anspringtemperatur bereits vor dem Start der Brennkraftmaschine 1 zu erreichen, wird eine Strömungsbewegung des im Vorkatalysator 4 erwärmten Gasstromes zwischen beheiztem Vorkatalysator 4 und Hauptkataly­ sator 6 in Gang gesetzt, die auf dem Effekt der "Kaminwirkung" basiert.

Diese "Kaminwirkung" zwischen Vorkatalysator 4 und Hauptkataly­ sator 6 wird erreicht, indem der Hauptkatalysator 6 bezüglich des Vorkatalysators 4 derart angeordnet ist, daß der Hauptkata­ lysator 6 geodätisch oberhalb des Vorkatalysators 4 liegt und der im Vorkatalysator 4 erwärmte Gasstrom in den Hauptkatalysa­ tor 6 aufsteigen kann, wodurch dieser auf dessen Anspringtempe­ ratur erwärmt wird. Die "Kaminwirkung" entsteht durch die freie Konvektion des Gases, d. h. das erwärmte Gas steigt aus dem Vor­ katalysator 4 infolge von Dichteunterschieden zwischen kaltem und erwärmtem Gas automatisch in den geodätisch höherliegenden Hauptkatalysator 6.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die beiden in einem gemeinsamen Gehäuse untergebrachten und unmittelbar aufeinan­ derfolgenden Katalysatoren 4, 6 in einem geradlinigen Rohrab­ schnitt 3a angeordnet, der leicht schräg, in einem Winkel α zu einer Fahrzeughochachse 8 verläuft. Ferner sind auch weitere Anordnungen von Vorkatalysator 4 und Hauptkatalysator 6 denk­ bar, die die "Kaminwirkung" ermöglichen.

Um die "Kaminwirkung" bei stehender Brennkraftmaschine 1 zu verbessern, ist eine steuerbare Öffnung 9 strömungsaufwärts der beiden Katalysatoren 4, 6 in der Abgasleitung 3 oder in einer hier nicht dargestellten Luftzuführungsleitung angeordnet, wo­ bei die Öffnung 9 ein Zuführen der Zugluft für die "Kaminwir­ kung" gewährleistet. Die steuerbare Öffnung 9 kann beispiels­ weise durch ein Schaltventil dargestellt sein, das strömungs­ aufwärts des Vorkatalysators 4 angeordnet ist. Das Schaltventil kann aber auch in einen Abgaskanal im Zylinderkopf der Brenn­ kraftmaschine 1 integriert oder über eine Abgasrückführung dar­ gestellt sein. Bei Brennkraftmaschinen mit ausreichender Zylin­ derzahl und entsprechend ausreichenden Überschneidungen der Ventile, kann die Öffnung 9 durch die geöffnete Stellung der Gaswechselkanäle gebildet sein, so daß eine separate Öffnung entfallen kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die "Kamin­ wirkung" der speziellen Anordnung von Vorkatalysator 4 und Hauptkatalysator 6 zueinander auch durch ein Hilfsgebläse 10 unterstützt werden, welches strömungsabwärts oder auch strö­ mungsaufwärts der Katalysatoren 4, 6 einsetzbar ist. Das Hilfs­ gebläse 10 liefert allerdings nur einen geringen Gasmengen­ strom, damit sich das Gas im Vorkatalysator 4 stark aufheizen kann und eine ausreichende Verweilzeit des Gases im Hauptkata­ lysator 6 gegeben ist, in der die Wärme des Gases an den Haupt­ katalysator 6 übergehen kann. Ferner kann der Vorkatalysator 4 durch eine automatisierte, hier nicht dargestellte Startein­ richtung vor dem Start der Brennkraftmaschine beheizt werden. Die Initiierung der Starteinrichtung kann durch einen Türkon­ taktschalter oder durch eine Fernbedienung der Zentralverriege­ lung des Fahrzeugs erfolgen.

Claims (6)

1. Brennkraftmaschine mit einer Abgasleitung, in der ein heiz­ barer Vorkatalysator, sowie ein diesem in Gasströmungsrichtung nachfolgender Hauptkatalysator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkatalysator (6) geodätisch oberhalb des Vorka­ talysators (4) derart angeordnet ist, daß der im Vorkatalysator (4) erwärmte Gasstrom in den Hauptkatalysator (6) aufsteigt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine steuerbare Öffnung (9) strömungsaufwärts der Kata­ lysatoren (4, 6) in der Abgasleitung (3) oder einer Luftzufüh­ rungsleitung angeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (9) durch eine geöffnete Stellung von Gas­ wechselkanälen der Brennkraftmaschine (1) gebildet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfsgebläse (10) in der Abgasleitung (3) angeord­ net ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoren (4, 6) in einem geradlinigen, in ei­ nem Winkel (α) zu einer Fahrzeughochachse (8) verlaufenden Rohrabschnitt (3a) der Abgasleitung (3) angeordnet sind.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine Startvorrichtung aufweist, die ein Aufheizen des Vorkatalysators (4) vor dem Start der Brennkraftmaschine bewirkt.