DE2352965A1

DE2352965A1 - Anordnung zur abgasentgiftung von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2352965A1
Application number: DE19732352965
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Ing Linder; Guenter Dipl Ing Dr Woessner; Josef Dipl Ing Zweng
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-10-23
Filing date: 1973-10-23
Publication date: 1975-04-30
Also published as: US4023360A; JPS5073025A

Description

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28. 9. 73 Su/Do

Anlage zur

Patent- und

Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

Robert Bosch GmbH, 7 Stuttgart 1

Anordnung zur Abgasentgiftung von Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abgasentgiftung von Brennkraftmaschinen mit mindestens einem thermischen oder katalytischen Reaktor und einem Bypass des Auspuff-. rohreSyin den die Abgase zur Vermeidung einer Überhitzung, äes Reaktors ableitbar sind. . -

Damit ein derartiger Reaktor gut arbeiten kann., soll seine Arbeitstemperatur möglichst in einem bestimmten Bereich

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liegen und soll insbesondere,um eine befriedigende Lebensdauer zu erreichen,eine bestimmte Höchsttemperatur nicht überschreiten. Bei bekannten Anordnungen der obengenannten Art werden deshalb die Abgase bei Erreichen dieser höchstzulässigen Temperatur entweder ins Freie geleitet oder durch einen Bypass um den Reaktor herumgeleitet oder es wird der Reaktor aus der Strömung^ heraus-

dann geschwenkt. Bei all diesen Vorrichtungen erfolgt/Tceine

Entgiftung des Abgases.

Es ist ferner bekannt, die Abgase durch hintereinandergeschaltete Reaktionskammern zu leiten, wodurch wohl das „Erreichen einer maximalen Betriebstemperatur verzögert, aber nicht ausgeschlossen wird, so daß auch dort der Nachteil besteht, daß die katalytische Wirkung in solchen Fällen aufgehoben wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Anordnung zu entwickeln, bei der über den ganzen Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine der Reaktor von den Abgasen durchströmt wird,ohne daß dabei eine Überhitzung erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Bypass ein Kühlsystem für Abgase enthält und in Strömungsrichtung vor dem Reaktor wieder in den Auspuff mündet. Die durch den Auspuff weiterströmenden sowie die durch den Bypass gekühlten Abgase vermischen sich dann wieder vor dem Reaktor , so daß eine zu hohe Temperatur vermieden wird.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Ableitung der Gase durch ein vorzugsweise monostabiles fluidisches System, durch das ab Erreichen eines bestimmten Mengenstromes dieser mindestens teilweise in den Bypass geleitet wird. Hierbei wird davon ausgegangen, daß die Arbeitstemperatur im Reaktor weitgehend dem Gasdurchsatz entspricht. Sobald also bei Erreichen eines be-

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stimmten Mengenstromes mit einer Überhitzung des Reaktors zu rechnen ist, wird dieser Mengenstrom mindestens teilweise in den Bypass geleitet,um" dort abgekühlt und vor

'wieder dem Reaktor mit dem Re st strom (vermischt zu werden. Bei fluidischen Systemen- sind vorteilhafterweise keine beweglichen Teile vorhanden, die insbesondere in Auspuffrohren störanfällig sind.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Kühlsystem als koaxial zum Auspuff angeordnete Kühlkammer ausgebildet, die mit entsprechend nach außen führenden Värmeaustauschelementen wie beispielsweise Wärmerohren versehen ist. Durch entsprechende Verwirbelung des Abgases kann der Wärmeübergang zu|ien die Wärme nach außen abführenden Teilen verbessert werden.

Nach einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung · mündet in den Bereich der Abzweigung des Bypass zur fluidischen Steuerung eine vom Saugrohr der Brennkraftmaschine herführende Steuerleitung, die vorzugsweise auch der Abgasrückführung dient« Eine andere Art der fluidischen Steuerung besteht erfindungsgemäß darin, daß ein Teil des Abgasstroms radial , ein zweiter Teil tangential in eine Wirbelkammer geleitet wird, aus der das Abgas dann axial" austritt und auf ein koaxial angeordnetes Doppelrohr trifft* dessen Außenrohr mindestens ein Teil des Kühlbypas's ist und entweder unmittelbar oder in ein Einzelrohr übergehend der Kühlung dient.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in dem vom Bypass umgangenen Auspuff abschnitt ein Reaktor angeordnet, der schon bei niedrigen Temperaturen anspringt (Warmlaufkatalysator). Hierdurch soll erreicht werden, daß schon bei kaltem Motor und entsprechend bei Abgasen mit niedrigen Temperaturen^ die für eine Reaktion im Katalysator noch nicht ausreichen, bereits· eine Entgiftung des Abgases stattfindet. Während der Hauptreaktor für die

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maximal durchströmende Abgasmenge ausgelegt . ist, d.h. eine verhältnismäßig große aktive Oberfläche entsprechend der höchst zulässigen Raumgeschwindigkeit hat, ist der Warmlaufkatalysator mit kleinem Strömungsquerschnitt und kleinem Volumen ausgelegt, um sich dadurch schneller aufzuheizen und entsprechend früh "anzuspringen". Sobald dann im oberen Last- und Drehzahlbereich die Strömungsgeschwindigkeiten im Katalysatorraum zu hoch werden, bei denen ohnehin die Oberfläche für einen Schadstoffabbau nicht mehr ausreicht, werden erfindungsgemäß die Abgase mindestens teilweise in den Kühlbypass geleitet. Erfindungsgemäß kann zur Entlastung des nachgeschalteten "Reaktors auch im Kühlbypass ein Reaktor angeordnet sein, durch den bereits eine teilweise Entgiftung der Abgase erfolgt.

Mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1, 2 und 3 verschiedene fluidische Steuerungen einfacher Art bei unterschiedlicher Ausbildung des Kühlsystems

Fig. 4- · ein System mit saugrohrdruckabhängiger Steuerung, und möglicher Abgasrückführung

Fig. 5 eine FluidikverStärkeranlage und

Fig. 6 und 7 eine Fluidiksteuerung mittels einer Wirbelkammer. ' .

In der in Fig. 1 teilweise dargestellten Auspuffanlage strömen die Abgase in Pfeilrichtung durch ein Abgasrohr 1, in dem ein Warmlaufkatalysator 2 und ein Hauptkatalysator nacheinander angeordnet sind. Der Warmlaufkatalysator 2

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ist durch einen Bypass 4 umgangen,"der vor dem Hauptkatalysator wieder in das Abgasrohr 1 mündet. Dieser Bypass 4 dient zur Kühlung der Abgase und ist entsprechend mit einem nur angedeuteten Kühlersystem 5 versehen. Das Abgasrohr 1 hat bei 6 eine Verengung mit anschließender plötzlicher Querschnittserweiterung , die zu einem fluidischen System gehört. Bei kleiner Last und niederen Drehzahlen strömt das Abgas in seiner ganzen Menge durch das Abgasrohr 1 und den Warmlaufkatalysator 2. Bei 7 zweigt von dem Abgasrohr eine Steuerleitung 8 ab, durch die das Abgas zur die plötzliche Querschnittserweiterung aufweisenden Steuerstelle 9 zurückgeführt wird. In dieser Steuerleitung 8 ist eine einstellbare Drosselvorrichtung 10 angeordnet. Bei Überschreiten eines bestimmten Gasdurchsatzes des Abgasrohres 1 und damit abhängig von der Stellung der Drosselvorrichtung 10 in der Steuerleitung 8 wird der Abgasstrom mindestens teilweise in den Bypass 4 abgelenkt (Coanda-Effekt). Durch die Ablenkung des Gasstromes fällt auch der Gasstrom«durch die. Steuerleitung 8 aus, was zu einem Bücklenken des Strahls ins .Abgasrohr 1 führt. Sobald also dieser Abgasmengenstrom erreicht ist, wechselt laufend die Strömung vom Abgasrohr in den Bypass 4 und wieder zurück.fDie in "Bypass 4 gekühlten Abgase vermischen sich dann vor dem Hauptkatalysator 3 wieder mit den im Abgasrohr 1 geführten Mengen zu einer .Mischtemperatur, die auf alle Fälle unter der zulässigen Arbeitshöchsttemperatur des Katalysators 3 liegt» Die Fre-

u.a.

quenz dieser Oszillation hängtfvon der Länge der Steuerleitung 8 ab. . . .

Die Steuerleitung kann jedoch auch in Strömungsrichtung vor der Einengung 6 vom Abgasrohr abzweigen, wie es in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist«, Bei dieser "Vorwärtssteuerung" findet dann keine Oszillation statt.

Der Varmlaufkatalysator 2 wird bereits bei geringem Gasdurchsatz (Leerlaufteillast) infolge relativ hoher Durchströmgeschwindigkeit rasch aufgeheizt» Die hohe Durchströmgeschwindigkeit wird durch kleine Querschnittsfläche

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mit gutem Wärmeübergang erreicht. Hierdurch zündet der Warmlauf katalysator früher, als der nachgeschaltete Hauptkatalysator 3. Sobald dann bei Vollast und großer Drehzahl große Abgasmengen strömen_?wird ein Teil im Bypass 4-abgekühlt, insbesondere der(teil, der eine Überhitzung des Warmlaufkatalysators bewirken könnte.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung, die im wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten entspricht, wird eine stabile Ablenkung des Abgasstroms durch eine zweite Steuerleitung 12 erreicht, die vom Bypass 4- abzweigt und in der ebenfalls eine Drosselvorrichtung 13 angeordnet ist. Diese zweite Steuerleitung 12 mündet in die erste Steuerleitung 8, so daß nach Umschwenken des Abgasstrahls in den Bypass 4-auch weiterhin ein in diese Eichtung haltender Steuerstrom vorhanden ist« Die Steuerleitungen 8 und 12 sowie die Drosselvprrichtungen 10 und 13 bestimmen also nach Länge und Querschnitt, ab welcher Durchströmmenge vom Abgasrohr auf Bypass und wieder zurückgeschaltet wird. Wie in Fig. 2 dargestellt mündet bei diesem Ausführungsbeispiel der Bypass 4 tangential in den Hauptkatalysator 3 ein. Hierdurch wird eine gute .Durchmischung des gekühlten mit dem ungekühlten Abgas erreicht und außerdem eine gute Durchfluß-.verteilung im Katalysator selbst. Außerdem werden die durch den Motor bewirkten Pulsationen künstlich gedämpft. Beidiesem Beispiel ist das Gehäuse des Warmlaufkatalysators unmittelbar an das vom Hauptkatalysator 3 angeschlossen. In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt, bei der die fluidische Umsteuerung des Gasstromes in den Bypass temperaturabhängig erfolgt. In einer vor der Verengung 6 vom Abgasrohr 1 abzweigenden Steuerleitung 15 ist ein Oszillator .16 und eine Drosselvorrichtung 17 angeordnet. Der Oszillator arbeitet als Fluidikelement (Wirkungsweise wie bei Beispiel in Fig_e 1), dessen Frequenz infolge der erreichbaren Schallgeschwindigkeit von Gasen proportional

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zur Wurzel aus der absoluten. Gastemperatur ist. Am Ausgang des Oszillators ist seine Steuerleistung proportional dem Druck sowie dem Gasvolumen pro Zeit. Mit zunehmender Frequenz (zunehmende .Gastemperatur) nimmt auch das Gasvolumen zu. Bei Überschreiten eines bestimmten Gasvolumens pro Zeit, das durch die Drosselvorrichtung 17 einstellbar ist,wird der Gasstrom aus dem Abgasrohr in den Bypass 4 abgelenkt und entsprechend gekühlt.

Das Kühlsystem ist bei diesem Beispiel als um das Abgasrohr Λ angeordneter Koaxialbehälter 19 mit großer wärmeabgebender Oberfläche ausgebildet, in den der Bypass 4 tangential einmündet. Durch die tangentiale Einmündung ist eine gute Verwirbelung und damit ein guter Wärmeübergang gewährleistet. Der Wärmeübergang kann durch Wärmerohre 20 noch verstärkt werden, die für eine gute Wärmeabfuhr sorgen.

Eine 'gewisse Verfeinerung der Regelung ist dadurch denkbar, daß die Drosselvorrichtungen 10, 13 und 17 in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur eine Korrektur des Durchgangsquerschnitts erfahren würden. So wäre denkbar, daß bei warmem Motor für jeden Betriebszustand am Katalysator^intritt die höchstzulässige Gastemperatur eingeregelt würde, was ein Optimum an Arbeitsvermögen des .Katalysators bedeuten würde.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die fluidische Steuerung durch an der Steuerstelle 9 erzeugten Unterdruck, in dem eine Steuerleitung 22 zum Saugrohr 23 der Brennkraftmaschine 24 führt. In dieser Steuerleitung. ist wieder eine Drosselvorrichtung 25 angeordnet. Außerdem ein Ventil 26, das vorzugsweise elektromagnetisch gesteuert ist und das zur Steuerung einer Abgasrückführung dienen kann. Bei Leerlauf und Teillast ist der Unterdruck im Saugrohr und damit in der Steuerleitung verhältnismäßig groß, da nur ein geringer absoluter Saugrohrdruck herrscht, so daß im Gegensatz zu. den anderen Beispielen hier die Ab-

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lenkung des Abgasstromes erfolgt, und zwar in das Abgasrohr 1. Bei geringem Unterdruck hingegen, d.h. bei geringen Saugrohrdrücken, also bei geöffneter Drosselklappe und Vollast erfolgt keine Ablenkung des Abgasstrahles sondern er wird unmittelbar in den in der Vorzugsrichtung liegenden Bypass geleitet.

Da der Steuerdruck insbesondere bei dieser saugrohrdruckabhängigen Steuerung ziemlich schwach ist, kann durch Hintereinanderschalten von Fluidikelementen eine Verstärkung des Steuerstroms erreicht werden. In Fig. 5 ist das Beispiel einer' "Vorwärtssteuerung¹¹ für die Verstärkung gezeigt. Das erste Fluidikelement 28 der außerhalb des Abgasrohres verlebten,. Verstärkungagruppe 29 hat eine Steuer- ° efhe Versorgungsleitung

leitung 30 uiyD 31„ wobei in der Steuerleitung 30 der ^B uncT Versor- ^& ^

Saugrohrdruck fin. der ~> gungs leitung 3/1 der Druck im Abgasrohr vor der Querschnittsänderung 6 herrscht. Bei Vollast strömt dann das Gas z. B. in die Verzweigungsleitung 32 (Vorzugsrichtung), um dann bei Leerlauf in die Zweigleitung 33 abgelenkt zu werden. Diese Ausgänge des ersten Pluidikelements 28 sind zugleich die Steuerströme für das nächste Fluidikelement 34, das seinen Versorgungsstrom über eine Leitung 35 dem Abgasrohr entnimmt. Dieser Versorgungsdruck ist jedoch wesentlich größer als der Saugrohrunterdruck und damit besser geeignet, die Ablenkung bei 9 zu bewirken. Die Steuerung erfolgt jedoch unter Ausnutzung des relativ schwachen Saugrohrunterdrucks.

In Fig. 6 und 7 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem das Fluidikprinzip einer Wirbelkammer benutzt wird. Unmittelbar nach dem Auspuffkrümmer 37 des Motors 24 wird der Abgasstrom bei 38 in zwei Teilströme aufgezweigt, von denen der eine über eine Leitung 39 radial, der andere über eine Leitung 40 tangential ±_n. eine Wirbelkammer 41 geleitet wird. Wie aus Fig. 7 ersichtlich hat die Wirbelkammer einen axialen Ausgang 42, an den sich zwei koaxial zueinander an-

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geordnete Rohre anschließen, von denen das innere Rohr 43 dem Abgasrohr 1 entspricht, und das äußere Rohr 44 dem Bypass 4 der vorherigen Beispiele. Das äußere Rohr 44 ist mit entsprechenden" Kühlrippen 45 versehen. Bei kleinen Gasdurchsätzen strömt ein Großteil des Abgases über das Rohr 39 radial in die Wirbelkammer ein und verläßt diese in einem gebündelten Strahl, der fast ausschließlich das Innenrohr 43 durchströmte Die bei diesen kleinen Durchsätzen auftretende Energie des in die Wirbelkammer über die Leitung 40 tangential eintretenden Gases reicht zur Erzeugung einer ausgeprägten Drallströmung in der Wirbelkammer nicht aus. Ab einer bestimmten Abgasmenge jedoch, welche.durch ein Drosselelement 46 beeinflußbar ist, das im Rohr 40 angeordnet ist, wird der Impuls des tangentialen Gaszulaufs so groß, daß in der Wirbelkammer eine ausgeprägte Wirbelströmung entsteht. Durch den Einbau eines Druckreglers 48 (Druckkonstanthalteyentils) in die radiale Zuleitung 39 wird bei Steigerung des Gasdurchsatzes ein wirklicher Umschlag von der'axialen Durchströmung der Wirbelkammer in eine Wirbelströmung innerhalb eines engen Bereichs .des Gasdurchsatzes erreicht; denn mit steigendem Gasdurchsatz sperrt dann ab einem bestimmten Wert der tangentiale Gasstrom den angenähert konstanten radialen Gaszustrom (wegen konstantem Druck) völlig ab«, Die beschriebene Wirbelströmung bewirkt, daß aufgrund der Zentrifugalkräfte die Abgase kegelförmig aus der Austrittsöffnung 42 in die koaxialen ■Rohre und dort überwiegend in das Außenrohr 44 gelangen. Im Innenrohr 43 kann wie oben beschrieben ein Warmlaufkatalysator 47 angeordnet sein« Durch die doppelte Rohranordnung entsteht zusätzlich eine Art Wärmeschild für diesen Warm»· lauf katalysator, was einem, schnellen Aufheizen des Katalysators bei Leerlauf zugute kommt„ Zwischen Innenrohr 43 und Außenrohr 44 kann ein Eingkatalysator 48 angeordnet sein, der die Arbeit des nachfolgenden' von allen Gasen durciiströmten Hauptkatalysator 3 unterstützt _o

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Claims

Ansprüche

1.) Anordnung zur Abgasentgiftung von Brennkraftmaschinen mit mindestens einem tfcermischen oder katalytischen Ee-• · aktor und einem Bypass des Auspuffrohres, in den die Abgase zur Vermeidung einer Überhitzung des Reaktors ableitbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass (4) ein Kühlsystem (5) für Abgase enthält und in Strömungsrichtung vor dem Reaktor (3) wieder in den Auspuff (1) mündet.

2..Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung der Abgase durch ein vorzugsweise monostabiles fluidisches System (6, 9) erfolgt, durch das ab Erreichen eines bestimmten Mengenstroms dieser mindestens teilweise in den Bypass (4) geleitet wird.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

vor oder
in »Strömungsrichtung fnach der Abzweigung (9) des Bypass

vom Auspuffrohr (1) eine Steuerleitung (8) abzweigt, die zur fluidischen Steuerung im Bereich der Abzweigung C9) wieder in den Auspuff mündet,, und in der ein Quersctnittssteuerelement (10) angeordnet ist (Fig. 1).

Anordnung nach Anspruch J₉ dadurch gekennzeichnet, daß iroa Bypass (4) eine Steuerleitung (12) abzx-ieigt , in der ©in Querschnittssteuerelement (15) angeordnet ist, und die in die Steuerleitung (8) mündet, die vom Auspuffrohr

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(.1) abzweigt (Fig. 2). '

5. Anordnung nach Anspruch 2 oder 4·, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Abzweigung des Bypass im Auspuffrohr (1) eine plötzliche Querschnittserweiterung (6) angeordnet ist, in die eine stromaufwärts abgezweigte Steuerleitung ^15) mündet, in die vorzugsweise in der Strömungsrichtung nacheinander ein Oszillator (16) als Fluidikelement und ein Querschnittssteuerelement (17) angeordnet sind, wobei der Oszillator (16) mit einer Frequenz gemäß der erreichbaren Schallgeschwindigkeit von Gasen proportional zur Wurzel aus der absoluten'Gastemperatur arbeitet (Fig. 3).

6. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem als koaxial zum Auspuff angeordnete Kühlkammer (i9, 44) ausgebildet ist, die mit entsprechend nach außen führenden Wärmeaustauschelementen, beispielsweise Wärmerohren (20). versehen ist.

7« Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet;, daß in der Kühlkammer (19) eine Vorrichtung zur Luftverwirbelung angeordnet ist und die Einmündung des Bypass (4) in die Wirbelkammer (19) insbesondere tangential erfolgt.

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8· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bereich der Abzweigung des Bypass (4) zur • fluidischen Steuerung eine vom Saugrohr(23) der Brennkraftmaschine (24-) herführende Steuerleitung (22) mündet, die vorzugsweise auch der Abgasrückführung dient (Fig. 4).

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme in den Steuerleitungen in bekannter Weise durch Hintereinanderschalten von Fluidikelerneuteη verstärkbar sind.(Fig. 5)·

10. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Abgasstroms radial » ein zweiter Teil tangential in eine Wirbelkammer (39) geleitet wird, aus der das Abgas dann axial austritt und auf ein koaxial angeordnetes Doppelrohr (43, 44) trifft, dessen Außenrohr (44) mindestens ein Teil des Kühlbypass ,darstellt und entweder unmittelbar oder in ein Einzelrohr übergehend der Kühlung des Abgases dient (Fig. 6 und 7).

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der den zweiten Teil des Abgasstroms leitende Kanal (40) im Querschnitt steuerbar ist.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem den ersten Teil des Abgasstroms leitenden Kanal ein Druckkonstanthaiteventil 48 angeordnet ist.

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13· Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vom Bypass (4) umgangenen Auspuffabschnitt ein Reaktor (2) angeordnet ist, der.schon bei niedrigen !Temperaturen anspringt (Warmlaufkatalysator).

14. Anordnung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlbypass ein Reaktor (48) angeordnet ist, der die Arbeit des Hauptreaktors (3) unterstützt.

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