DE102010034953B4

DE102010034953B4 - Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102010034953B4
Application number: DE102010034953.4A
Authority: DE
Inventors: Robert Lionel Jacques; William A. Bear; Randy L. Dufresne; Richard Lorenze Johnson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-09-21
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2016-06-16
Anticipated expiration: 2030-08-21
Also published as: CN102022171B; US20110067387A1; CN102022171A; US8353154B2; DE102010034953A1

Abstract

Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12), umfassend: einen Zylinderkopf (18), der an einem Verbrennungsmotor (12) montiert ist und eine Reihe integraler Abgasleitungen (30) aufweist, die sich von Brennkammern (24) zu einer Zentralkammer (31) erstrecken, die in einer Auslassöffnung (34) in dem Zylinderkopf (18) endet, wodurch ein integraler Abgaskrümmer (26) in dem Zylinderkopf (18) definiert wird, der dazu dient, die Brennkammern (24) verlassendes Abgas (28) zum Durchgang hindurch zu sammeln; eine Abgasleitung (56) in Fluidkommunikation mit der Zentralkammer (31), die derart konfiguriert ist, dass sie Abgas (28) von dem integralen Abgaskrümmer (26) durch die Auslassöffnung (34) aufnimmt, wobei die Abgasleitung (56) umfasst: ein Einlassende (58), das mit dem Zylinderkopf (18) verbunden ist und einen sich aufwärts erstreckenden Abschnitt (70) aufweist, der sich in Richtung einem oberen Ende des Verbrennungsmotors (12) erstreckt; einen Bogenabschnitt (72), der den sich aufwärts erstreckenden Abschnitt (70) beendet und in einer abwärts orientierten Richtung an einem Auslassende (64) endet, das konfiguriert ist, um ein Einlassende eines mehrstufigen katalytischen Wandlers (40) zu definieren, wobei der mehrstufige katalytische Wandler (40) umfasst: einen Behälter (41) mit einem Einlassende (54), das benachbart einem oberen Abschnitt des Motors (12) in Fluidkommunikation mit dem Auslassende (64) der Abgasleitung (56) angeordnet ist und derart konfiguriert ist, dass Abgas (28) von der Abgasleitung (56) hindurchgeleitet wird; ein erstes katalysatorbeschichtetes Substrat (42), das benachbart dem Einlassende (54) des Behälters (41) angeordnet ist; ein zweites katalysatorbeschichtetes Substrat (44), das benachbart einem Auslassende (74) des Behälters (41) angeordnet ist; und einen Sammler (76), der ein Auslassende (74) des Behälters (41) schließt, wobei das Auslassende (74) des Behälters (41) benachbart einem Bodenabschnitt des Motors (12) angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Katalysatorsubstrat (42, 44) derart konfiguriert sind, dass sie Bestandteile von Abgas (28), das von dem Einlassende (54) des Behälters (41) zu dessen Auslassende (74) gelangt, aufnehmen und umwandeln.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor und insbesondere auf ein Abgassystem mit einer thermisch effizienten Konfiguration.
HINTERGRUND
Erhöhungen der Kraftstoffpreise wie auch Verschärfungen bei den Abgasregulierungen haben in einer Zunahme der Popularität alternativer Antriebssysteme für Fahrzeuge resultiert. Hybridantriebssysteme können eine Antriebskombination aus Batterie und Verbrennungsmotor verwenden. Ein üblicher Betriebsmodus für ein Hybridantriebssystem mit Batterie/Verbrennungsmotor besteht darin, dass der Motor abgeschaltet wird, wenn das Fahrzeug anhält (beispielsweise ein Ampelstopplicht) und dann das Fahrzeug mit Batterieleistung gestartet und anfänglich betrieben wird, bis der Verbrennungsmotor wieder erforderlich ist, um die Batterie zu ersetzen. Ein derartiges Antriebsstrangsystem wird auch als ein Start/Stopp-Hybridantriebssystem bezeichnet. Eine Herausforderung für Fahrzeugkonstrukteure mit einem derartigen Hybridantriebssystem liegt in der Beibehaltung geeigneter Temperaturen in dem Motor, dem Getriebe, dem Abgassystem wie auch dem Fahrgastraum während kalter Umgebungstemperaturen, wenn eine häufige Motordeaktivierung stattfindet (z. B. Start/Stopp-Stadtfahrt). Eine vorgeschlagene Lösung für die Temperaturherausforderung, die durch Start/Stopp-Hybridantriebssysteme bereitgestellt wird, besteht darin, ein Wärmerückgewinnungssystem in Verbindung mit dem Motorabgassystem zu verwenden, um Abwärme rückzugewinnen. Beispielsweise kann das Motorkühlmittel oder ein anderes Wärmeübertragungsmedium durch einen Wärmetauscher in Verbindung mit dem Motorabgassystem geführt werden, um Abwärme abzufangen und den Fahrzeugbedarf nach Wärme während Perioden, in denen der Motor abgeschaltet ist, zu ergänzen.
Mit zunehmend strenger werdenden Emissionsregulierungen sind Abgasnachbehandlungssysteme zunehmend komplex hinsichtlich Größe, Anzahl von Komponenten und Kosten geworden. Existierende Nachbehandlungssysteme verwenden typischerweise einzelne Komponenten, die jeweils eine diskrete Funktion besitzen. Die Komponenten müssen oftmals in einer bestimmten Konfiguration und manchmal mit einem bestimmten Abstand oder einer bestimmten Trennung, der/die durch die Fahrzeugarchitektur bestimmt ist, angeordnet werden. Die Größen der einzelnen Komponenten wie auch der Einbau in Fahrzeugarchitekturen variiert, aber es ist klar, dass die Größe und der Abstand der Komponenten eine signifikante thermische Last aufbringen kann, die bewirkt, die Temperatur des hindurchströmenden Abgases wie auch die Abwärme, die davon rückgewonnen werden kann, rapide zu reduzieren.
Ein typisches Abgasnachbehandlungssystem für einen benzinbetriebenen Verbrennungsmotor betrifft die Anordnung einer Katalysatorbehandlungsvorrichtung in enger Nähe zu dem Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors. Diese Katalysatorbehandlungsvorrichtung, die als ein eng gekoppelter Wandler bezeichnet wird, ist typischerweise die katalytische Vorrichtung, in der die meisten regulierten Abgasbestandteile umgewandelt werden (> 90%). Die enge Kopplung mit dem Motor minimiert einen Wärmeverlust in dem Abgas zwischen dem Motor und der Vorrichtung, was in höheren Temperaturen sowie einer schnelleren katalytischen Aktivierung resultiert, da die Katalysatorverbindungen, die typischerweise zur Behandlung von Motorabgas verwendet werden, am besten bei Temperaturen oberhalb von 350°C arbeiten. Eine zweite Katalysatorbehandlungsvorrichtung, die oftmals als ein Unterbodenwandler bezeichnet wird, ist typischerweise eine gewisse Distanz von dem eng gekoppelten Wandler und, wie der Name impliziert, oftmals unter dem Boden des Fahrzeugs hinter dem Motor angeordnet. In dem Fall eines Verbrennungsmotors mit nach vorn austretenden Abgaskanälen kann die Distanz zwischen dem eng gekoppelten Wandler und dem Unterbodenwandler 1 Meter oder mehr sein. Eine derartige Distanz resultiert in einem wesentlichen Wärmeverlust von dem Abgas vor seinem Eintritt in den zweiten Unterbodenwandler. Ein derartiger unerwünschter Wärmeverlust bewirkt, dass der Wirkungsgrad des Unterbodenwandlers reduziert wird und die Wärme, die stromabwärts des Unterbodenwandlers zum Abfangen durch einen Wärmetauscher verfügbar ist, wesentlich reduziert wird, der notwendigerweise stromabwärts beider Katalysatorbehandlungsvorrichtungen angeordnet werden muss, um verfügbare Abgaswärme für deren Betrieb zu maximieren.
Herkömmliche Abgasbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren sind aus den Druckschriften EP 1 006 272 A2 , US 6 334 306 B1 , US 2008/0 073 065 A1 , US 2005/0 202 933 A1 und JP 2009-091 905 A bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor einen Zylinderkopf, der an einem Verbrennungsmotor montiert ist und eine Reihe integral gegossener Abgasleitungen aufweist, die sich von Brennkammern zu einer Zentralkammer erstrecken, die in einer Auslassöffnung endet, wodurch ein integraler Abgaskrümmer definiert wird, der bewirkt, die Brennkammern verlassendes Abgas zum Durchgang hindurch zu sammeln. Eine Abgasleitung steht in Fluidkommunikation mit der Zentralkammer und ist derart konfiguriert, dass sie Abgas von dem integralen Abgaskrümmer durch die Auslassöffnung aufnimmt. Die Abgasleitung umfasst ein Einlassende, das mit dem Zylinderkopf verbunden ist und einen sich aufwärts erstreckenden Abschnitt, der sich in Richtung einem oberen Ende des Verbrennungsmotors erstreckt, und einen bogenförmigen Abschnitt aufweist, der den sich aufwärts erstreckenden Abschnitt beendet und ein Auslassende aufweist, das derart konfiguriert ist, um ein Einlassende eines mehrstufigen katalytischen Wandlers zu definieren. Der mehrstufige katalytische Wandler umfasst einen Behälter mit einem Einlassende, das benachbart einem oberen Abschnitt des Motors angeordnet und durch das Auslassende des bogenförmigen Abschnitts der Abgasleitung definiert ist. Der Behälter umfasst ferner ein erstes Katalysatorsubstrat, das benachbart dem Einlassende des Behälters angeordnet ist, ein zweites Katalysatorsubstrat, das benachbart einem Auslassende des Behälters angeordnet ist, und einen Sammler, der ein Auslassende des Behälters schließt. Das Auslassende des Behälters ist benachbart einem Bodenabschnitt des Motors angeordnet, und das erste und das zweite Katalysatorsubstrat sind derart konfiguriert, dass sie Bestandteile des Abgases, das von dem Einlassende des Behälters zu dem Auslassende gelangt, aufnehmen und umwandeln.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor einen Zylinderkopf, der an einem Verbrennungsmotor montiert ist und eine Reihe integral gegossener Abgasleitungen aufweist, die sich von Brennkammern zu einer Zentralkammer erstrecken, die in einer Auslassöffnung in dem Zylinderkopf endet, wodurch ein integraler Abgaskrümmer definiert wird, der bewirkt, die Brennkammern verlassendes Abgas zum Durchgang hindurch zu sammeln. Eine Abgasleitung steht in Fluidkommunikation mit der Zentralkammer und ist derart konfiguriert, dass sie Abgas von dem integralen Abgaskrümmer durch die Auslassöffnung aufnimmt. Die Abgasleitung umfasst ein Einlassende, das mit dem Zylinderkopf verbunden ist und einen sich aufwärts erstreckenden Abschnitt, der sich zu einem oberen Ende des Verbrennungsmotors erstreckt, und einen bogenförmigen Abschnitt aufweist, der den sich aufwärts erstreckenden Abschnitt beendet, und ein Auslassende, das derart konfiguriert ist, um ein Einlassende eines mehrstufigen katalytischen Wandlers zu definieren. Der mehrstufige katalytische Wandler umfasst einen Behälter mit einem Einlassende, das benachbart einem oberen Abschnitt des Motors angeordnet und durch das Auslassende des bogenförmigen Abschnitts der Abgasleitung definiert ist. Ein erstes Katalysatorsubstrat ist benachbart dem Einlassende des Behälters angeordnet, und ein zweites Katalysatorsubstrat ist benachbart einem Auslassende des Behälters angeordnet. Ein Sammler schließt ein Auslassende des Behälters, das benachbart einem Bodenabschnitt des Motors angeordnet ist. Das erste und das zweite Katalysatorsubstrat sind derart konfiguriert, dass sie Bestandteile von Abgas, das von dem Einlassende des Behälters zu dem Auslassende gelangt, aufnehmen und umwandeln. Eine Wärmetauscheranordnung steht in Fluidkommunikation mit dem Sammler und ist derart konfiguriert, dass sie Abgas, das den mehrstufigen katalytischen Wandler verlässt, aufnimmt und Abwärme von dem Abgas zur Verteilung an Motor- oder Fahrzeugkomponenten entnimmt. Ein Wärmemanagementsystem steht in Fluidkommunikation mit dem Wärmetauscher und bewirkt, rückgewonnene Wärme von dem Wärmetauscher durch Wärmeübertragungsfluid, das dazwischen strömt, zu sammeln. Das Wärmemanagementsystem ist derart konfiguriert, dass es rückgewonnene Wärme an Motor- und Fahrzeugkomponenten liefert, einschließlich dem Motor, einem Getriebe, einem Fahrzeugraum oder einer Kombination daraus.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen ersichtlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
1 eine schematische Ansicht eines Abgasbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor ist, der Merkmale der vorliegenden Erfindung verkörpert;
2 eine Schnittansicht eines Zylinderkopfs entlang der Linie 2-2 von 1 ist;
3 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Abgasbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor von 1 ist; und
4 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts einer anderen Ausführungsform des Abgasbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor von 1 ist.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur. Es sei zu verstehen, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Nun Bezug nehmend auf 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform auf ein Abgasbehandlungssystem 10 für die Reduktion regulierter Abgasbestandteile eines Verbrennungsmotors 12 gerichtet. Es sei angemerkt, dass der Verbrennungsmotor 12 einer von verschiedenen Konfigurationen und Typen sein kann, wie Gas oder Diesel, reihen- oder v-konfiguriert. Zur leichteren Beschreibung und Diskussion ist die Offenbarung im Kontext eines Reihen-Vierzylinder-Benzinmotors diskutiert. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst einen Zylinderblock 14, der typischerweise aus Gusseisen oder einer Legierung mit geringerem Gewicht, wie Aluminium, aufgebaut ist. Das untere Ende des Zylinderblocks 14 ist durch eine Ölwanne 16 geschlossen, während das obere Ende durch einen Zylinderkopf 18 und eine Ventilabdeckung 20 geschlossen ist. Ein Verbrennungsluftansaugsystem (nicht gezeigt) und ein Kraftstoffsystem (nicht gezeigt) liefern Verbrennungsluft und Kraftstoff an Brennkammern 24, 2, des Verbrennungsmotors 12.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform des Zylinderkopfs 18, der in 2 gezeigt ist, leitet eine Reihe von Ansaugkanälen 22 die Verbrennungsluft an die Brennkammern 24, und ein integraler Abgaskrümmer 26 leitet die Verbrennungsbestandteile oder Abgas 28 davon. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der integrale Abgaskrümmer 26 eine Reihe integral gegossener Abgasleitungen 30, die sich an einer Zentralkammer 31 benachbart der Vorderseite 32 des Zylinderkopfs 18 kombinieren. Die Zentralkammer 31 öffnet sich durch eine Flanschwand 36 an der Vorderseite 32 des Zylinderkopfs durch eine darin definierte Auslassöffnung 34. Die Integration des Abgaskrümmers 26 und insbesondere der Reihe von Abgasleitungen 30 in den Zylinderkopf 18 stellt einen effektiven Weg zur Konservierung von Wärmeenergie von dem Abgas 28 in dem Zylinderkopf 14 und insbesondere in dem Abgas 28 des Verbrennungsmotors 12 dar.
Bezug nehmend auf die 1 und 3 umfasst bei einer beispielhaften Ausführungsform ein mehrstufiger katalytischer Wandler 40 einen Behälter 41, der derart konfiguriert ist, dass er ein erstes und zweites Katalysatorsubstrat 42 bzw. 44 trägt, das eine keramische oder metallische Wabenstruktur umfassen kann. Der Behälter 41 erstreckt sich in einer Orientierung in der Vertikalen zu einer Orientierung aus der Vertikalen von einer Stelle benachbart zu dem oberen Ende 68 des Motors 12 zu einer Stelle benachbart dem unteren Ende 69 des Motors 12. Abgasdurchgänge 46, die im Wesentlichen gerade Pfade von den stromaufwärtigen Fluideinlässen 48 zu den stromabwärtigen Fluidauslässen 50 jedes Substrats 42, 44 sind, sind durch Wände 52 definiert, an die verschiedenes katalytisches Material (nicht gezeigt) beschichtet ist, so dass das Abgas 28, das durch die Katalysatorsubstrate 42 und 44 gelangt, mit dem katalytischen Material in Kontakt tritt, wodurch ein chemischer Umwandlungsprozess ausgelöst wird. Beispielsweise katalysiert bei einer beispielhaften Ausführungsform, wenn das Abgas 28 die Länge des ersten Katalysatorsubstrats 42 durchquert, eine Katalysatorverbindung aus Edelmetall oder einem Metall der Platingruppe, einschließlich Metallen der Platingruppe, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) und andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus, die Oxidation von Kohlenmonoxid (”CO”) zu Kohlendioxid (”CO₂”) in der Anwesenheit von Sauerstoff (”O2”), reduziert Stickoxide (”NOx”) zu Stickstoff (”N₂”), Wasser (”H₂O”) und Kohlendioxid (”CO₂”), und katalysiert auch die Oxidation verschiedener Kohlenwasserstoffe einschließlich gasförmigem HC und flüssigen HC-Partikeln, einschließlich nicht verbranntem Kraftstoff oder Öl wie auch HC-Reduktionsmitteln, die in den Abgasstrom 28 eingeführt worden sein können, um H₂O zu bilden. Wiederum reduziert, wenn das Abgas 28 die Länge des zweiten Katalysatorsubstrats 44 durchquert, eine Katalysatorverbindung aus Edelmetall oder Metall der Platingruppe, einschließlich Metallen der Platingruppe wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus, die Oxidation von verbleibendem Kohlenmonoxid (”CO”) zu Kohlendioxid (”CO₂”) in der Anwesenheit von Sauerstoff (”O2”), reduziert Stickoxide (”NOx”) zu Stickstoff (”N₂”) und Wasser (”H₂O”) und Kohlendioxid (”CO₂”), und katalysiert auch die Oxidation verschiedener verbleibender Kohlenwasserstoffe, einschließlich gasförmigem HC und flüssigen HC-Partikeln, einschließlich nicht verbranntem Kraftstoff oder Öl, wie auch HC-Reduktionsmitteln, die in den Abgasstrom 28 eingeführt worden sein können, um H₂O zu bilden. Das erste Katalysatorsubstrat 42 umfasst eine höhere Beladung oder Konzentration der Katalysatorverbindung, als das zweite Katalysatorsubstrat 44, und stellt die katalytische Vorrichtung dar, an der der größte Teil der regulierten Abgasbestandteile umgewandelt wird (> 90%). Das zweite Katalysatorsubstrat 44, das eine geringere Katalysatorbeladung oder -konzentration aufweist, ist hauptsächlich zum Reinigen irgendwelcher verbleibender regulierter Bestandteile verantwortlich, die durch das erste Katalysatorsubstrat 42 ”geschlupft” sein können. Andere Kombinationen der Katalysatorverbindungen sind selbstverständlich vorstellbar und werden auf Grundlage verschiedener Parameter gewählt, wie dem Typ von Motor (beispielsweise Diesel oder Benzin) wie auch der Anwendung des Motors 12 und/oder des Fahrzeugtyps, in dem der Motor betrieben wird.
Eine Einlassleitung 56 schließt ein erstes Ende 54 des Behälters 41. Bei einer beispielhaften Ausführungsform, die in den 1–3 gezeigt ist, umfasst die Einlassleitung 56 ein erstes Einlassende 58, das einen Befestigungsflansch 60 aufweist, der derart konfiguriert ist, dass er direkt an der Flanschwand 36 an der Vorderseite 32 des Zylinderkopfs 18 montiert ist. Der Montageflansch 60 kann Montagemerkmale (nicht gezeigt) aufweisen, die Bolzen oder andere Befestigungseinrichtungen 62 aufnehmen, die mit Gewindeöffnungen (nicht gezeigt) in der Flanschwand 36 des Zylinderkopfs 18 in Eingriff stehen und bewirken, die Einlassleitung 56 und ihren zugeordneten Behälter 41 an dem Zylinderkopf 18 anzubringen. Die Einlassleitung 56 umfasst ein zweites Auslassende 64, das das Einlassende 54 des Behälters 41 schließt. Als Ergebnis dessen steht die Einlassleitung 56 in Fluidkommunikation mit dem integral gegossenen Abgaskrümmer 26 des Zylinderkopfs 18 und dient dazu, Abgas 28 durch die Auslassöffnung 34 in der Flanschwand 36 aufzunehmen und das Abgas an das Einlassende 54 des Behälters 41 zum Durchgang durch das erste und zweite Katalysatorsubstrat 42 bzw. 44 zu leiten.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist das Einlassende 58 der Einlassleitung 56 derart konfiguriert oder orientiert, dass ein sich aufwärts erstreckender Abschnitt 70 definiert wird, der sich in Richtung des oberen Endes 68 des Verbrennungsmotors 12 erstreckt. Die Erstreckung des aufwärts gerichteten Abschnitts 70 kann variieren und ist wahrscheinlich durch Fahrzeugeinbaubeschränkungen begrenzt. An dem Ende des sich aufwärts erstreckenden Abschnitts 70 der Einlassleitung 56 wechselt die Leitung in einen bogenförmigen Abschnitt 72, der in einer abwärts orientierten Richtung in Bezug auf den Verbrennungsmotor 12 endet. Der Bogenabschnitt 72 endet an dem zweiten Auslassende 64 der Einlassleitung 56. Die aufwärts orientierte Konfiguration der Einlassleitung 56 des mehrstufigen katalytischen Wandlers 40 erlaubt, dass das erste Einlassende 54 des Behälters 41 in Bezug auf die Vorderseite 32 des Zylinderkopfs 18 signifikant höher angeordnet werden kann und daher die Gesamtlänge des Behälters erhöht werden kann (erstreckt sich gänzlich von dem oberen Ende 68 zu dem unteren Ende 69 des Motors 12, um das erste und zweite Katalysatorsubstrat 42 und 44 zusammen in einer eng gekoppelten Konfiguration mit dem Abgaskrümmer 26 leicht aufzunehmen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Verschluss des zweiten Auslassendes 74 des Behälters 41 ein Sammler 76, der in einer kegelförmigen oder halbkegelförmigen Konfiguration konfiguriert sein kann, um einen glatten Übergang des Abgases 28 zu der Abgasleitung 78, mit der der Sammler 76 in Fluidkommunikation steht, bereitzustellen. Die Abgasleitung 78 umfasst eine Wärmetauscheranordnung 80, die mit dem Abgas 28, das den mehrstufigen katalytischen Wandler 40 verlässt, in Fluidkommunikation steht. Die Wärmetauscheranordnung kann eine Gas-zu-Fluid-Vorrichtung (nicht gezeigt) aufweisen, die derart konfiguriert ist, dass sie Motorkühlmittel oder ein anderes geeignetes Wärmeübertragungsfluid durch eine Kühlmittellieferleitung 82 aufnimmt. Das Kühlmittel wird durch die Wärmetauscheranordnung 80 geführt, in der es Aboder Restwärme von dem Abgas 28 entzieht, bevor es an das Wärmemanagementsystem 84 durch die Kühlmittelrückführleitung 86 zurückgeführt wird. Zurückgewonnene Abwärme wird an verschiedene Antriebsstrang- und Fahrzeugkomponenten verteilt, wie das Getriebe 88, den Motor 12 oder den Fahrgastraum 89. Durch Versetzen des zweiten Katalysatorsubstrats 44 von einer Unterbodenanordnung zu einer eng gekoppelten Anordnung unter Verwendung von Aspekten der Erfindung kann die Wärmetauscheranordnung 80 in einer nahen eng gekoppelten Anordnung an dem Abgaskrümmer 26 des Verbrennungsmotors 12 angeordnet sein und zieht aus dem geringeren Wärmeverlust von dem Abgas 28 und einer höheren Rückgewinnung von Ab- oder Restwärme davon einen Nutzen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform, die in den 1 und 3 gezeigt ist, kann ein Abgasrückführungssystem (”AGR”) 90 verwendet werden, um einen Anteil des Abgases 28 zurück an das Ansaugsystem (nicht gezeigt) des Motors 12 rückzuführen. Das AGR-System 90 ist eine Technik zur Reduktion von Stickoxid-(”NO_x”)-Emissionen, das das umgelenkte inerte Abgas 28 verwendet, um die Verbrennungstemperaturen in dem Motor zu senken und dadurch die Bildung von NO_x zu reduzieren, das sich bei höheren Temperaturen wesentlich schneller bildet. Die AGR-Leitung 92 ist an dem Behälter 41 angeordnet und erstreckt sich durch diesen, wo sie in Fluidkommunikation mit dem Abgas 28 steht. Die Anordnung der AGR-Leitung 92 zwischen dem ersten und zweiten Katalysatorsubstrat 42 bzw. 44 sieht einen Vorteil darin vor, dass das Abgas 28 durch das erste Katalysatorsubstrat 42 geführt und von diesem behandelt worden ist, was in einem inerteren Gas resultiert, als bei einer Umlenkung vor der katalytischen Behandlung. Zusätzlich bewirkt durch Anordnung der AGR-Leitung 92 stromaufwärts des zweiten Katalysatorsubstrats 44 der Gegendruck, der auf das Abgas 28 durch das Substrat 44 ausgeübt wird, eine Zunahme des Drucks und infolgedessen des Volumens an AGR, das für den Motor 12 verfügbar ist. Ein AGR-Ventil 94, das zwischen dem Einlass 96 der AGR-Leitung 92 und dem Motor 12 angeordnet ist, regelt die Abgasströmung hindurch.
Sauerstoffsensoren 104 und 106 stehen in Signalkommunikation mit einem Controller, wie einem Motorcontroller 108 oder einem anderen geeigneten Fahrzeugcontroller, der mit dem Abgasbehandlungssystem 10 funktionell verbunden ist und das Abgasbehandlungssystem 10 durch eine Anzahl von Sensoren überwacht. Der hier verwendete Begriff ”Controller” betrifft eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktio- nalität bereitstellen. Signale von den Sauerstoffsensoren 104 und 106 erlauben, dass der Controller den Umwandlungswirkungsgrad des mehrstufigen katalytischen Wandlers 40 überwachen und den Kraftstoff, die Verbrennungsluft und die AGR zu dem Motor 12 einstellen kann, wie auch verschiedene Motorbetriebsparameter entsprechend einstellen kann.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, kann ein einzelnes Katalysatorsubstrat 98 in dem Behälter 41 des mehrstufigen katalytischen Wandlers 40 anstelle des oben beschriebenen ersten und zweiten Katalysatorsubstrats 42 und 44 angebracht sein. In dem Fall eines einzelnen Katalysatorsubstrats 98 wird eine in Zonen unterteilte Katalysatoranwendung verwendet, um dieselbe Emissionsreduktionsleistung wie mit der Konfiguration mit zwei Substraten, wie bereits beschrieben ist, zu erreichen. Beginnend an dem stromaufwärtigen Fluideinlass 48 des einzelnen Katalysatorsubstrats 98 und sich axial stromabwärts erstreckend ist eine erste Katalysatorzone 100 aus einer Katalysatorverbindung aus Edelmetall oder Metall der Platingruppe, einschließlich Metall der Platingruppe, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus, mit einer ersten Konzentration beschichtet, die effektiv ist, um die Oxidation von Kohlenmonoxid (”CO”) zu Kohlendioxid (”CO₂”) in der Anwesenheit von Sauerstoff (”O2”) zu katalysieren, Stickoxide (”NOx”) zu Stickstoff (”N₂”) und Wasser (”H₂O”) und Kohlendioxid (”CO₂”) zu reduzieren, wie auch die Oxidation verschiedener Kohlenwasserstoffe einschließlich gasförmigen HC, flüssigen HC-Partikeln, einschließlich nicht verbranntem Kraftstoff oder Öl, wie auch HC-Reduktionsmittel, die in den Abgasstrom 28 eingeführt worden sein können, um H₂O zu bilden, zu katalysieren. Die erste Katalysatorzone 100 erstreckt sich über eine erste axiale Länge ”A”, die zwischen dem einzelnen Katalysatorsubstrat 98 endet und eine ausreichend große Beladung der Katalysatorverbindung aufweist, um den größten Teil der regulierten Abgasbestandteile (> 90%) in dem Abgas 28 umzuwandeln.
Beginnend an dem stromabwärtigen Fluidauslass 50 des einzelnen Katalysatorsubstrats 98 und sich axial stromaufwärts erstreckend ist eine zweite Katalysatorzone 102 aus einer Katalysatorverbindung aus Edelmetall oder Metall der Platingruppe, einschließlich Metall der Platingruppe, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus, mit einer ersten Konzentration beschichtet, die effektiv ist, um die Oxidation von Kohlenmonoxid (”CO”) zu Kohlendioxid (”CO₂”) in der Anwesenheit von Sauerstoff (”O2”) zu katalysieren, Stickoxide (”NOx”) zu Stickstoff (”N₂”) und Wasser (”H₂O”) und Kohlendioxid (”CO₂”) zu reduzieren, wie auch die Oxidation verschiedener Kohlenwasserstoffe einschließlich gasförmigen HC, flüssigen HC-Partikeln, einschließlich nicht verbranntem Kraftstoff oder Öl, wie auch HC-Reduktionsmittel, die in den Abgasstrom 28 eingeführt worden sein können, um H₂O zu bilden, zu katalysieren. Die zweite Katalysatorzone 102 erstreckt sich über eine zweite axiale Länge ”B”, die zwischen dem einzelnen Katalysatorsubstrat 98 endet und eine ausreichend große Beladung der Katalysatorverbindung aufweist, um jegliche verbleibende oder geschlupfte regulierte Abgasbestandteile in dem Abgas 28 umzuwandeln, die während des Durchgangs durch die erste Katalysatorzone 100 nicht umgewandelt wurden. In dem Fall eines mehrstufigen katalytischen Wandlers 40, der ein in Zonen eingeteiltes einzelnes Katalysatorsubstrat 98 verwendet, kann es notwendig oder erwünscht sein, einen Sauerstoffsensor 106 in dem Substrat, insbesondere an oder benachbart dem Übergang von der ersten Katalysatorzone 100 zu der zweiten Katalysatorzone 102 einzubetten, um den Umwandlungswirkungsgrad der Vorrichtung zu überwachen. Rezirkuliertes Abgas kann bei einer beispielhaften Ausführungsform über eine AGR-Leitung 92 mit einem Einlass 96 benachbart dem stromabwärtigen Fluidauslass 50 umgelenkt werden. An einer solchen Stelle zieht das AGR-System von dem Abgas 28, das einem zusätzlichen Umwandlungsereignis in der zweiten Katalysatorzone 102 ausgesetzt ist, einen Nutzen. Zusätzlich bewirkt durch Anordnung der AGR-Leitung 92 stromaufwärts der Wärmetauscheranordnung 80 der Gegendruck, der auf das Abgas 28 durch die Wärmetauscheranordnung ausgeübt wird, eine Zunahme des Drucks und infolgedessen des Volumens an AGR, das für den Motor 12 verfügbar ist.

Claims

Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12), umfassend: einen Zylinderkopf (18), der an einem Verbrennungsmotor (12) montiert ist und eine Reihe integraler Abgasleitungen (30) aufweist, die sich von Brennkammern (24) zu einer Zentralkammer (31) erstrecken, die in einer Auslassöffnung (34) in dem Zylinderkopf (18) endet, wodurch ein integraler Abgaskrümmer (26) in dem Zylinderkopf (18) definiert wird, der dazu dient, die Brennkammern (24) verlassendes Abgas (28) zum Durchgang hindurch zu sammeln; eine Abgasleitung (56) in Fluidkommunikation mit der Zentralkammer (31), die derart konfiguriert ist, dass sie Abgas (28) von dem integralen Abgaskrümmer (26) durch die Auslassöffnung (34) aufnimmt, wobei die Abgasleitung (56) umfasst: ein Einlassende (58), das mit dem Zylinderkopf (18) verbunden ist und einen sich aufwärts erstreckenden Abschnitt (70) aufweist, der sich in Richtung einem oberen Ende des Verbrennungsmotors (12) erstreckt; einen Bogenabschnitt (72), der den sich aufwärts erstreckenden Abschnitt (70) beendet und in einer abwärts orientierten Richtung an einem Auslassende (64) endet, das konfiguriert ist, um ein Einlassende eines mehrstufigen katalytischen Wandlers (40) zu definieren, wobei der mehrstufige katalytische Wandler (40) umfasst: einen Behälter (41) mit einem Einlassende (54), das benachbart einem oberen Abschnitt des Motors (12) in Fluidkommunikation mit dem Auslassende (64) der Abgasleitung (56) angeordnet ist und derart konfiguriert ist, dass Abgas (28) von der Abgasleitung (56) hindurchgeleitet wird; ein erstes katalysatorbeschichtetes Substrat (42), das benachbart dem Einlassende (54) des Behälters (41) angeordnet ist; ein zweites katalysatorbeschichtetes Substrat (44), das benachbart einem Auslassende (74) des Behälters (41) angeordnet ist; und einen Sammler (76), der ein Auslassende (74) des Behälters (41) schließt, wobei das Auslassende (74) des Behälters (41) benachbart einem Bodenabschnitt des Motors (12) angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Katalysatorsubstrat (42, 44) derart konfiguriert sind, dass sie Bestandteile von Abgas (28), das von dem Einlassende (54) des Behälters (41) zu dessen Auslassende (74) gelangt, aufnehmen und umwandeln.
Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12) nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Wärmetauscheranordnung (80) in Fluidkommunikation mit dem Sammler (76), die derart konfiguriert ist, dass sie den mehrstufigen katalytischen Wandler (40) verlassendes Abgas (28) aufnimmt und Abwärme von dem Abgas (28) zur Verteilung an Motor- oder Fahrzeugkomponenten entzieht.
Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12) nach Anspruch 2, ferner umfassend: ein Wärmemanagementsystem (84) in Fluidkommunikation mit der Wärmetauscheranordnung (80), das dazu dient, rückgewonnene Wärme von der Wärmetauscheranordnung (80) durch ein dazwischen strömendes Wärmeübertragungsfluid zu sammeln.
Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12) nach Anspruch 3, wobei das Wärmemanagementsystem (84) derart konfiguriert ist, dass es rückgewonnene Wärme an Motor- und Fahrzeugkomponenten liefert, einschließlich den Motor (12), ein Getriebe (88), einen Fahrzeugraum (89) oder eine Kombination daraus.
Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12) nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Abgasrückführungssystem (90), das derart konfiguriert ist, dass es einen Anteil des Abgases (28), das den Behälter (41) zu dem Motor (12) durchläuft, umwandelt, wobei das Abgasrückführungssystem (90) umfasst: eine Abgasleitung (92) mit einem Einlass (96), der zwischen dem ersten Katalysatorsubstrat (42) und dem zweiten Katalysatorsubstrat (44) angeordnet ist; und ein Abgasrückführungsventil (94) zum Regeln der Strömung von Abgas (28) durch das Abgasrückführungssystem (90).
Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12) nach Anspruch 1, wobei das erste Katalysatorsubstrat (42) eine erste Konzentration einer Katalysatorverbindung aufweist und das zweite Katalysatorsubstrat (44) eine zweite Konzentration einer Katalysatorverbindung aufweist.
Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12) nach Anspruch 6, wobei die Katalysatorverbindung Metalle der Platingruppe aufweist, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus.
Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12) nach Anspruch 1, wobei das erste Katalysatorsubstrat und das zweite Katalysatorsubstrat ein einzelnes Katalysatorsubstrat (98) umfassen, umfassend: eine erste Katalysatorzone (100), die sich axial von einer Stelle benachbart dem Einlassende (54) des Behälters (41) zu einer Stelle zwischen dem einzelnen Katalysatorsubstrat erstreckt; und eine zweite Katalysatorzone (102), die sich axial von einer Stelle benachbart dem Auslassende (74) des Behälters (41) zu einer Stelle zwischen dem einzelnen Katalysatorsubstrat erstreckt, wobei die erste Katalysatorzone (100) eine erste Konzentration einer Katalysatorverbindung aufweist und die zweite Katalysatorzone (102) eine zweite Konzentration einer Katalysatorverbindung umfasst.
Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12) nach Anspruch 8, wobei die Katalysatorverbindung Metalle der Platingruppe umfasst, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus.
Abgasbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12), umfassend: einen Zylinderkopf (18), der an einem Verbrennungsmotor (12) montiert ist und eine Reihe integral gegossener Abgasleitungen (30) aufweist, die sich von Brennkammern (24) zu einer Zentralkammer (31) erstrecken, die in einer Auslassöffnung (34) in dem Zylinderkopf (18) endet, wodurch ein integral gegossener Abgaskrümmer (26) definiert wird, der dazu dient, die Brennkammern (24) verlassendes Abgas (28) zum Durchgang hindurch zu sammeln; eine Abgasleitung (56) in Fluidkommunikation mit der Zentralkammer (31), die derart konfiguriert ist, dass sie Abgas (28) von dem integral gegossenen Abgaskrümmer (26) durch die Auslassöffnung (34) aufnimmt, wobei die Abgasleitung (56) umfasst: ein Einlassende (58), das mit dem Zylinderkopf (18) verbunden ist und einen sich aufwärts erstreckenden Abschnitt (70) aufweist, der sich in Richtung einem oberen Ende des Verbrennungsmotors (12) erstreckt; einen Bogenabschnitt (72), der an dem sich aufwärts erstreckenden Abschnitt (70) endet und ein Auslassende (64) aufweist, das derart konfiguriert ist, dass es ein Einlassende eines mehrstufigen katalytischen Wandlers (40) definiert, wobei der mehrstufige katalytische Wandler (40) umfasst: einen Behälter (41) mit einem Einlassende (54), das benachbart einem oberen Abschnitt des Motors (12) angeordnet ist und durch das Auslassende (64) des Bogenabschnitts (72) der Abgasleitung (56) definiert und derart konfiguriert ist, dass es Abgas (28) von der Abgasleitung (56) in den Behälter (41) leitet; ein erstes Katalysatorsubstrat (42), das benachbart dem Einlassende (54) des Behälters (41) angeordnet ist; ein zweites Katalysatorsubstrat (44), das benachbart einem Auslassende (74) des Behälters (41) angeordnet ist; einen Sammler (76), der ein Auslassende (74) des Behälters (41) schließt, wobei das Auslassende (74) des Behälters (41) benachbart einem Bodenabschnitt des Motors (12) angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Katalysatorsubstrat (42, 44) derart konfiguriert sind, dass sie Bestandteile von Abgas (28), das von dem Einlassende (54) des Behälters (41) zu dem Auslassende (74) desselben gelangt, aufnehmen und umwandeln; eine Wärmetauscheranordnung (80) in Fluidkommunikation mit dem Sammler (76), die derart konfiguriert ist, dass sie den mehrstufigen katalytischen Wandler (40) verlassendes Abgas (28) aufnimmt und Abwärme von dem Abgas (28) zur Verteilung an Motor- oder Fahrzeugkomponenten entzieht; und ein Wärmemanagementsystem (84) in Fluidkommunikation mit der Wärmetauscheranordnung (80), das dazu dient, rückgewonnene Wärme von der Wärmetauscheranordnung (80) durch Wärmeübertragungsfluid, das dazwischen strömt, zu sammeln, und wobei das Wärmemanagementsystem (84) derart konfiguriert ist, dass es rückgewonnene Wärme an einen Motor und Fahrzeugkomponenten liefert, einschließlich den Motor (12), ein Getriebe (88), einen Fahrzeugraum (89) oder eine Kombination daraus.