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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine.
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Es ist allgemein bekannt, die Abgase einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Otto- oder Dieselmotors, mittels einer im Abgastrakt angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung zu behandeln, um die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Hierbei wird der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz der Abgasnachbehandlungseinrichtung ganz entscheidend von dem in der Abgasnachbehandlungseinrichtung vorherrschenden Temperaturniveau sowie dem bei der Verbrennung verwendeten Kraftstoff-Luft-Verhältnis der Brennkraftmaschine beeinflußt.
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Bei Ottomotoren kommen nach dem Stand der Technik beispielsweise katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, die die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen, eine Oxidation von Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO) auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide (NOx) reduziert werden, kann dies durch den Einsatz eines Dreiwegekatalysators erreicht werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert. Dabei werden die Stickoxide mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten oxidiert werden.
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Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuß betrieben werden, also beispielsweise im Magerbetrieb arbeitende Ottomotoren, insbesondere aber direkt einspritzende Dieselmotoren aber auch direkt einspritzende Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide prinzipbedingt, das heißt aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel, nicht reduziert werden.
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Zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid wird insbesondere ein Oxidationskatalysator im Abgasstrom vorgesehen. Um eine ausreichende Konvertierung zu realisieren, ist eine gewisse Betriebstemperatur erforderlich. Die so genannte Anspringtemperatur kann 120°C bis 250°C betragen.
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Die Verminderung der Stickoxidemission einer mit Luftüberschuß betriebenen Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, kann mit einem ammoniakhaltigen Reduktionsmittel an einem selektiv arbeitenden Katalysator, einem so genannten SCR-Katalysator, zu Stickstoffdioxid (N2) und Wasser (H2O) erfolgen (SCR: Selectiv Catalytic Reduction). Als Reduktionsmittel werden entweder gasförmiges Ammoniak (NH3), Ammoniak in wäßriger Lösung oder Harnstoff in wäßriger Lösung eingesetzt. Bei Verwendung von Harnstoff als Reduktionsmittel wird der Harnstoff stromauf eines Hydrolysekatalysators direkt in den Abgastrakt eingespritzt und dort mittels Hydrolyse zu Ammoniak umgewandelt. Die bei der Verbrennung in der Brennkraftmaschine erzeugten Stickoxide werden dann mittels des im SCR-Katalysator zwischengespeicherten Ammoniaks selektiv zu Wasser und Stickstoff reduziert. Insbesondere kann der SCR-Katalysator Ammoniak bei niedrigen Temperaturen bis zum Erreichen einer bestimmten Speicherkapazität einlagern, das bei hohen Temperaturen wieder desorbiert wird.
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Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Letzteres wird auch als HC-Anreicherung bezeichnet, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe direkt in den Abgastrakt eingebracht werden oder aber durch innermotorische Maßnahmen, nämlich durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum nach der eigentlichen Verbrennung, zugeführt werden. Dabei soll der nacheingespritzte Kraftstoff nicht im Brennraum durch die noch ablaufende Hauptverbrennung oder aber durch die – auch nach Beendigung der Hauptverbrennung – hohen Verbrennungsgastemperaturen gezündet werden, sondern während des Ladungswechsels in den Abgastrakt eingeleitet werden.
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Grundsätzlich können die Stickoxidemissionen auch mit so genannten Stickoxid- bzw. NOx-Speicherkatalysatoren (LNT: Lean NOx Trap) reduziert werden. Dabei werden die Stickoxide zunächst während eines mageren Betriebs der Brennkraftmaschine im Katalysator adsorbiert, das heißt gesammelt und gespeichert, um dann während einer Regenerationsphase beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs (beispielsweise λ < 0,95) der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel reduziert zu werden.
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Weitere innermotorische Möglichkeiten zur Realisierung eines fetten, das heißt eines unterstöchiometrischen Betriebs der Brennkraftmaschine bietet die Abgasrückführung (AGR) und bei Dieselmotoren die Drosselung im Ansaugtrakt. Auf innermotorische Maßnahmen kann verzichtet werden, wenn das Reduktionsmittel direkt in den Abgastrakt eingebracht wird, beispielsweise durch Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff. Während der Regenerationsphase werden die Stickoxide freigegeben und im Wesentlichen in Stickstoffdioxid (N2), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) umgewandelt. Die Häufigkeit der Regenerationsphasen wird durch die Gesamtemission an Stickoxiden und die Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators (LNT) bestimmt.
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Die Temperatur des Speicherkatalysators (LNT) sollte vorzugsweise in einem Temperaturfenster zwischen 200°C und 450°C liegen, so dass einerseits eine schnelle Reduktion der Stickoxide sichergestellt ist und andererseits keine Desorption ohne Konvertierung der wieder freigegebenen Stickoxide stattfindet, was durch zu hohe Temperaturen ausgelöst werden kann.
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Eine Schwierigkeit bei der Verwendung und insbesondere bei der Anordnung des NOx-Speicherkatalysators im Abgastrakt ergibt sich aus dem im Abgas enthaltenen Schwefel, der ebenfalls im NOx-Speicherkatalysator adsorbiert wird und im Rahmen einer so genannten Desulfurierung, d. h. einer Entschwefelung regelmäßig entfernt werden muß. Hierfür muß der NOx-Speicherkatalysator auf hohe Temperaturen, üblicherweise zwischen 600°C und 700°C, erwärmt und mit einem Reduktionsmittel versorgt werden, was wiederum durch den Übergang zu einem fetten Betrieb der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Je höher die Temperatur des NOx-Speicherkatalysators ist, desto effektiver läuft die Entschwefelung ab, wobei eine zulässige Höchsttemperatur nicht überschritten werden sollte, denn dann trägt die Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators infolge zu hoher Temperaturen maßgeblich zur thermischen Alterung des Katalysators bei. Dadurch wird die gewollte Konvertierung der Stickoxide gegen Ende der Lebensdauer des NOx-Speicherkatalysators nachteilig beeinflußt, wobei insbesondere die Speicherkapazität infolge thermischer Alterung abnimmt.
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Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden nach dem Stand der Technik so genannte regenerative Partikelfilter eingesetzt, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern und speichern, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters üblicherweise bei hohen Temperaturen um etwa 550°C intermittierend verbrannt werden. Die Intervalle der Regeneration werden dabei unter anderem durch den Abgasgegendruck, der sich infolge des zunehmenden Strömungswiderstandes des Filters aufgrund der anwachsenden Partikelmasse im Filter einstellt, bestimmt.
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Da sowohl die Abgase von Ottomotoren als auch die Abgase von Dieselmotoren – wenn auch in unterschiedlichen Mengen und Qualitäten – unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Stickoxide als auch Rußpartikel enthalten, kommen nach dem Stand der Technik in der Regel kombinierte Abgasnachbehandlungseinrichtungen zum Einsatz, die einen oder mehrere der vorstehend beschriebenen Katalysatoren und/oder Filter umfassen.
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Bei den vorstehend beschriebenen Verfahren zur Verminderung der Stickoxidemissionen mittels SCR-Katalysator und/oder NOx-Speicherkatalysator (LNT) stellt sich allgemein das Problem einer unkontrollierten (thermischen) Desorption von Ammoniak aus dem SCR-Katalysator (so genannter Ammoniak-Schlupf) bzw. Stickoxiden aus dem NOx-Speicherkatalysator (so genannter Stickoxid-Schlupf). Diese thermische Desorption tritt insbesondere bei einem schellen, sprunghaften Temperaturanstieg in der Abgasanlage auf, wie er beispielsweise nach einem Lastsprung der Brennkraftmaschine aufgrund einer plötzlichen Leistungsanforderung durch einen Benutzer (Kick-Down) die Folge sein kann. Hierdurch steigen die NOx-Rohemissionen der Brennkraftmaschine einerseits sowie die Abgastemperatur andererseits sprunghaft an. Gleichzeitig wird das Adsorptionsvermögen des SCR-Katalysators bzw. NOx-Speicherkatalysators mit der steigenden Temperatur des Abgases und dem sich in der Abgasanlage bzw. den jeweiligen Katalysatoren fortpflanzenden Temperaturanstieg geringer.
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Da die Zeitkonstanten der SCR-Katalysator- bzw. NOx-Speicherkatalysatoreinheiten allgemein nicht genügend groß sind, wird mehr von dem im SCR-Katalysator gespeicherten Ammoniak desorbiert, als im Verlauf der Umwandlung der Stickoxidemissionen auf natürliche Weise verbraucht wird. Ebenso werden die in einem NOx-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide durch einen zu schnellen Temperaturanstieg desorbiert, obwohl keine Regenerationsphase beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel oder durch zusätzliches Einspritzen von Reduktionsmittel, zum Beispiel Kraftstoff, in den Abgastrakt wie bereits beschrieben stattfindet.
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Ein sprunghafter Anstieg der Abgastemperatur in der Abgasanlage kann sich beispielsweise auch zu Beginn einer Regenerationsphase eines Partikelfilters oder einer Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators, die wie bereits eingangs beschrieben bei hohen Temperaturen durchgeführt werden, ergeben. Insbesondere sind von einem solchen Temperatursprung die in einer Abgasnachbehandlungseinrichtung stromab des zu regenerierenden Partikelfilters bzw. des NOx-Speicherkatalysators angeordneten Katalysatoren und/oder Filter betroffen.
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Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine anzugeben, die im Wesentlichen keinen bzw. einen im Vergleich zu Abgasanlagen nach dem Stand der Technik erheblich verringerten Ammoniak- und/oder Stickoxid-Schlupf eines SCR-Katalysators bzw. NOx-Speicherkatalysators während eines Instationärbetriebs der Brennkraftmaschine, zum Beispiel bei einer sprunghaften Änderung der Abgastemperatur infolge eines Lastsprungs der Brennkraftmaschine, aufweist und somit einen optimalen und effektiven Betrieb der Abgasanlage bzw. der Abgasnachbehandlungseinrichtung hinsichtlich der Abgasreinigungs- bzw. Konvertierungsleistung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Eine erfindungsgemäße Abgasanlage einer Brennkraftmaschine weist einen Abgasstrang und wenigstens eine im Abgasstrang angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung auf. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung weist wenigstens einen SCR-Katalysator und/oder NOx-Speicherkatalysator, insbesondere einen LNT, auf. Stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung ist der Abgasstrang erfindungsgemäß zumindest abschnittsweise in wenigstens zwei separate Abgaszweige geteilt, wobei wenigstens ein Abgaszweig eine Wärmequelle und wenigstens ein anderer Abgaszweig eine Wärmesenke aufweist, so dass der eine Abgaszweig als Wärmequelle und der andere als Wärmesenke betreibbar ist. Ferner ist die Abgasströmungsmenge durch die jeweiligen separaten Abgaszweige mittels wenigstens eines Strömungssteuermittels steuerbar.
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Als Wärmesenke im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein thermodynamisches Umfeld bzw. ein Wärmeübertragungskörper zu verstehen, welcher eine hohe Wärmekapazität besitzt und dadurch in der Lage ist, bei hoher Wärmaufnahme einen quasi-stationären Temperaturzustand zu halten. Im Gegensatz hierzu kann eine Wärmequelle im Sinne dieser Beschreibung bei einem quasi-stationären Temperaturzustand Wärme kontinuierlich abgeben.
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Die Teilung des Abgasstrangs in wenigstens zwei separate Abgasstränge, wobei wenigstens ein Abgaszweig als Wärmequelle und wenigstens ein anderer Abgaszweig als Wärmesenke betreibbar sind, ermöglicht die gezielte Beeinflussung der Abgastemperatur der die jeweiligen Abgaszweige durchströmenden Abgase. Insbesondere ist es durch das erfindungsgemäß vorgesehene Strömungssteuermittel möglich, die Abgasströmungsmenge durch die jeweiligen Abgaszweige genau zu dosieren und somit die Abgastemperatur stromab der separaten Abgaszweige zu steuern, das heißt nachdem die Abgaszweige wieder in den Abgasstrang münden. Hierdurch wird ein optimaler Betrieb einer nachgeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung, die insbesondere einen SCR-Katalysator und/oder einen NOx-Speicherkatalysator aufweist, erreicht, da auch bei einem Instationärbetrieb der Brennkraftmaschine, das heißt zum Beispiel bei einer sprunghafter Änderung der Abgastemperatur infolge eines Lastsprungs der Brennkraftmaschine, die Abgastemperatur am Eingang der Abgasnachbehandlungseinrichtung nahezu konstant gehalten werden kann bzw. die Temperaturänderung am Eingang der Abgasnachbehandlungseinrichtung zumindest deutlich verzögert, mit einem wesentlich kleineren Betrag, und zudem in einem wesentlich größeren Zeitraum auftritt. Eine sprunghafte Temperaturänderung am Eingang der Abgasnachbehandlungseinrichtung wird durch die erfindungsgemäße Abgasanlage in jedem Fall verhindert.
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Ein sprunghafter Anstieg der Abgastemperatur führt, wie bereits beschrieben, in einem SCR-Katalysator bzw. einem NOx-Speicherkatalysator zu einer unkontrollierten thermischen Desorption von in dem SCR-Katalysator gespeichertem Ammoniak (Ammoniak-Schlupf) bzw. von in dem NOx-Speicherkatalysator adsorbierten Stickoxiden (Stickoxid-Schlupf). Dieser Ammoniak- bzw. Stickoxid-Schlupf wird mit der erfindungsgemäßen Abgasanlage wirksam verhindert, da sowohl die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Temperaturänderung innerhalb der Abgasanlage als auch der Betrag der Temperaturänderung mittels der als Wärmequelle bzw. Wärmesenke betreibbaren Abgaszweige wesentlich gedämpft bzw. vermindert werden.
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Falls die Abgastemperatur der Brennkraftmaschine nun sprungartig ansteigt, beispielsweise aufgrund einer plötzlichen Leistungsanforderung an die Brennkraftmaschine, zum Beispiel durch einen plötzlichen Beschleunigungsvorgang eines Benutzers (Kick-Down), wird in diesem Fall mittels der Strömungssteuervorrichtung das Abgas wenigstens teilweise, vorteilhafterweise auch vollständig durch den als Wärmesenke betreibbaren Abgaszweig geleitet. Das Strömungssteuermittel ist hierzu bevorzugt derart ausgelegt, den als Wärmequelle betreibbaren Abgaszweig und/oder den als Wärmesenke betreibbaren Abgaszweig teilweise bis vollständig zu verschließen bzw. zu öffnen.
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Das durch den als Wärmesenke betreibbaren Abgaszweig geleitete Abgas wird entsprechend der Funktion einer Wärmesenke gekühlt, so dass die Abgastemperatur am Eingang der dem Abgaszweig nachgeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung, die insbesondere einen SCR-Katalysator und/oder einen NOx-Speicherkatalysator aufweist, gezielt steuerbar ist. Eine unkontrollierte Desorption des in dem SCR-Katalysator gespeicherten Ammoniaks bzw. der in dem NOx-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide infolge eines sprunghaften Temperaturanstiegs wird vermieden. Das in dem SCR-Katalysator gespeicherte Ammoniak wird lediglich im Rahmen der normalen Umsetzung der Stickoxidemissionen kontrolliert verbraucht. Ebenso werden die im NOx-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide nicht unkontrolliert, insbesondere außerhalb einer Regenerationsphase freigesetzt. Die erfindungsgemäße Abgasanlage ermöglicht somit den optimalen Betrieb des SCR-Katalysators bzw. des NOx-Speicherkatalysators unabhängig von dem augenblicklichen Betriebszustands der Brennkraftmaschine.
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Wenn die Leistungsanforderung der Brennkraftmaschine wieder zurückgenommen wird und die Abgastemperatur der Brennkraftmaschine folglich abnimmt, wird das Abgas mittels des Strömungssteuermittels wenigstens teilweise, vorteilhafterweise auch vollständig durch den als Wärmequelle betreibbaren Abgaszweig geleitet. Hierdurch wird das Temperaturniveau der durch diesen Abgaszweig strömenden Abgase konstant gehalten bzw. angehoben, so dass stets ein optimales Temperaturfenster für den Betrieb eines dem Abgaszweig nachgeordneten SCR-Katalysators bzw. NOx-Speicherkatalysators gewährleistet ist, ebenfalls unabhängig von der momentanen Leistungsanforderung der Brennkraftmaschine.
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Zur Erzielung einer möglichst genauen und fein graduierten Steuerung der Abgastemperatur innerhalb er Abgasanlage, insbesondere stromab der separaten Abgaszweige, ist die Abgasströmungsmenge durch die jeweiligen Abgaszweige mittels des Strömungssteuermittels vorteilhafterweise in Abhängigkeit wenigstens von der Abgastemperatur der Brennkraftmaschine und/oder dem Abgasmassenstrom und/oder dem Verhältnis des in dem SCR-Katalysator gespeicherten Ammoniaks bezogen auf die Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators und/oder dem Verhältnis der in dem NOx-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide bezogen auf die Stickoxidspeicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators steuerbar. Hierdurch läßt sich das Strömungssteuermittel optimal entsprechend des aktuellen Betriebszustands der erfindungsgemäßen Abgasanlage steuern. Insbesondere ist auf diese Weise eine optimale Stellung des Strömungssteuermittels ermittelbar, die den als Wärmequelle betreibbaren Abgaszweig und/oder den als Wärmesenke betreibbaren Abgaszweig teilweise bis vollständig verschließt bzw. öffnet und somit eine genaue und fein graduierte Steuerung der Abgastemperatur stromab der separaten Abgaszweige ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage ist zwischen dem als Wärmequelle betreibbaren Abgaszweig und dem als Wärmesenke betreibbaren Abgaszweig ein Wärmetauscher vorgesehen. Dieser ermöglicht eine Wärmeübertragung zwischen den jeweiligen Abgaszweigen, so dass die von dem als Wärmesenke betreibbaren Abgaszweig aufgenommene Wärme dem als Wärmequelle betreibbaren Abgaszweig zur Verfügung gestellt werden kann. Auf eine zusätzliche, Wärme erzeugende Quelle für den als Wärmequelle betreibbaren Abgaszweig kann somit verzichtet werden, was erfindungsgemäß eine besonders energieeffizient betreibbare Abgasanlage ermöglicht.
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Der Wärmetauscher kann ferner auch derart ausgelegt sein, dass er die an den als Wärmequelle betreibbaren Abgaszweig abgebbare Wärmeenergie nicht lediglich von dem als Wärmesenke betreibbaren Abgaszweig bezieht, sondern ebenso von anderen, zusätzlichen Wärmequellen, die bei dem Betrieb der Brennkraftmaschine verfügbar sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage weist der als Wärmesenke betreibbare Abgaszweig eine Abgasdynamik zur Verzögerung der Wärmedurchleitung auf. Insbesondere kann durch entsprechende Größen- bzw. Volumenauslegung eines separaten Abgaszweigs eine gewünschte Abgasdynamik hinsichtlich der Druck- und Saugwellen in diesem Abgaszweig derart erzielt werden, dass die in den Abgaszweig eingeleiteten Abgase mit einer bestimmten zeitlichen Verzögerung durch den Abgaszweig strömen, das heißt die Raumgeschwindigkeit der Abgase wird durch den derart ausgelegten Abgaszweig in vorteilhafter Weise wesentlich verringert. In einer besonders einfachen Ausgestaltung weist der als Wärmesenke betreibbarer Abgaszweig hierzu beispielsweise ein deutlich größeres Volumen auf als der als Wärmequelle betreibbarer Abgaszweig.
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Ein Abgastemperatursprung eingangs eines derart ausgebildeten Abgaszweigs wird somit verzögert durch diesen hindurch geleitet. Die längere Verweilzeit bzw. geringere Raumgeschwindigkeit der Abgase kann beispielsweise genutzt werden, mehr Wärme an die Umgebung bzw. einen Wärmetauscher abzugeben. Ferner führt die durch den Abgaszweig herbeigeführte geringere Raumgeschwindigkeit der Abgase folglich auch zu einer höheren Verweilzeit der Abgase in einer nachgeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere einem SCR-Katalysator bzw. NOx-Speicherkatalysator, wodurch eine wirksamere Konvertierung und insgesamt eine verbesserte Reinigungsleistung erzielbar ist.
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In einer weiteren besonders einfachen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage ist der als Wärmequelle betreibbare Abgaszweig im Wesentlichen ein aus einem herkömmlichen Abgasrohr gebildeter Abgaszweig, der jedoch wesentlich kürzer ausgebildet ist als der als Wärmesenke betreibbare Abgaszweig. Auch der als Wärmesenke betreibbare Abgaszweig ist in diesem Fall in besonders einfacher Weise ein aus einem herkömmlichen Abgasrohr gebildeter Abgaszweig, wobei dieser jedoch eine wesentlich größere Länge aufweist, als der als Wärmequelle betreibbare Abgaszweig.
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Der als Wärmequelle betreibbare Abgaszweig kann zudem vorteilhafterweise eine Wärmeisolierung zur Speicherung der Wärme in dem Abgaszweig aufweisen. Der als Wärmesenke betreibbare Abgaszweig kann demgegenüber beispielsweise Kühlrippen aufweisen, um eine möglichst schnelle Wärmeübertragung an die Umgebung zu ermöglichen. Ferner ist der als Wärmesenke betreibbare Abgaszweig vorteilhaft aus einem Material hergestellt, das eine besonders gute Wärmeübertragung zum Beispiel an die Umgebung oder einen Wärmetauscher ermöglicht, zum Beispiel durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Auf diese Weise ist der als Wärmesenke betreibbare Abgaszweig in der Lage, einen Abgastemperatursprung am Eingang des Abgaszweigs in erheblichem Maße für eine nachgeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere für einen SCR-Katalysator und/oder einen NOx-Speicherkatalysator, zu dämpfen. Bezüglich der sich aufgrund des Temperatursprungs in der Abgasanlage ausbreitenden Wärmewelle stellt der als Wärmesenke betreibbare Abgaszweig somit einen Tiefpaßfilter dar.
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Das Durchleiten der Abgase durch den als Wärmesenke betreibbaren Abgaszweig führt allgemein zu einer Absenkung der Abgastemperatur stromab des Abgaszweigs, da dem Abgas in dem Abgaszweig wie zuvor beschrieben Wärme entzogen wird. Die erfindungsgemäße Abgasanlage ermöglicht somit ebenfalls eine Erhöhung der Speicherkapazität eines dem Abgaszweig nachgeordneten NOx-Speicherkatalysators. Diese hängt in bekannter Weise von der Betriebstemperatur des NOx-Speicherkatalysators ab und nimmt mit steigender Temperatur oberhalb eines bestimmten Werts stetig ab. Eine große Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da zum Beispiel bei einem Lastsprung der Brennkraftmaschine aufgrund einer plötzlichen Leistungsanforderung neben der Abgastemperatur auch die NOx-Rohemissionen der Brennkraftmaschine sprunghaft zunehmen, die dann vom NOx-Speicherkatalysator aufgenommen, das heißt gespeichert werden können. Zudem ist bei einer größeren Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators eine Vergrößerung des Zeitabstands zwischen den Regenerationsphasen des NOx-Speicherkatalysators möglich. Die Regeneration kann somit zum Beispiel erst nach der Zurücknahme der Leistungsanforderung mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel oder durch zusätzliches Einspritzen von Reduktionsmittel, zum Beispiel Kraftstoff, in den Abgastrakt eingeleitet werden, um die adsorbierten Stickoxide umzuwandeln und den NOx-Speicherkatalysator für einen neuen Speicherzyklus vorzubereiten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage ist stromauf der wenigstens zwei separaten Abgaszweige eine weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung im Abgasstrang angeordnet. Diese Abgasnachbehandlungseinrichtung kann beispielsweise wenigstens einen Oxidationskatalysator, Partikelfilter, SCR-Katalysator und/oder NOx-Speicherkatalysator sowie verschiedene Kombinationen hiervon aufweisen. Somit ist es beispielsweise ebenfalls möglich, Katalysatoren bzw. Filter, die einerseits in einem höheren Temperaturbereich optimal zu betreiben und andererseits unempfindlicher gegenüber Temperaturschwankungen sind, näher am Auslaß der Brennkraftmaschine anzuordnen und diese mit solchen Katalysatoren bzw. Filtern in einer gemeinsamen Abgasanlage zu kombinieren, die in einem niedrigeren Temperaturfenster eine optimale Reinigungs- bzw. Konvertierungsleistung erzielen und für deren effizienten Betrieb insbesondere sprunghafte Temperaturänderungen mittels der hierin beschriebenen Erfindung vermieden werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Abgasanlage können ebenfalls sprunghafte Temperaturänderungen, die beispielsweise infolge einer bei hohen Temperaturen durchgeführten Regeneration eines Partikelfilters oder eines NOx-Speicherkatalysators auftreten, für die im Abgasstrang stromab angeordneten Katalysatoren bzw. Filter abgemildert bzw. vermieden werden. Dies schafft einen größeren Freiheitsgrad für die Anordnung bzw. Reihenfolge der Katalysatoren bzw. Filter innerhalb einer Abgasanlage.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt schematisch:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasanlage einer Brennkraftmaschine.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 1 einer Brennkraftmaschine 2 schematisch dargestellt. Allgemein saugt die Brennkraftmaschine 2 Luft über einen Luftfilter 3 für die Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in einer nicht dargestellten Brennkammer der Brennkraftmaschine 2 an. Bei der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 2 wird die Luft mit Hilfe eines Turboladers 4, insbesondere einem Verdichter 5, im Ansaugtrakt 6 der Brennkraftmaschine 2 verdichtet. Der Turbolader 4 wird hierzu in bekannter Weise über eine Turbine 7, die über eine Welle 8 mit dem Verdichter 5 verbunden ist, von dem die Brennkraftmaschine 2 nach der Verbrennung verlassenden Abgasstrom 9 angetrieben.
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Stromab der Turbine 7 des Turboladers 4 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Abgasstrang 10 eine erste (optionale) Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 angeordnet. Die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 kann beispielsweise wenigstens einen Oxidationskatalysator, Partikelfilter, SCR-Katalysator und/oder NOx-Speicherkatalysator, insbesondere einen LNT, und beliebige Kombinationen hiervon aufweisen. Die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 dient einer ersten Abgasreinigung.
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Stromab der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 teilt sich der Abgasstrang 10 des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels in zwei separate Abgaszweige 12 und 13, wobei der Abgaszweig 12 als Wärmesenke betreibbar ist und der Abgaszweig 13 als Wärmequelle betreibbar ist. Wie 1 weiter zu entnehmen ist, ist im Bereich der stromaufwärtigen Verzweigungsstelle 14 ein Strömungssteuermittel 15, beispielsweise eine Strömungsklappe oder ein Umschaltventil, im Abgasstrang 10 angeordnet. Das Strömungssteuermittel 15 ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel derart ausgelegt, dass es wahlweise den Abgaszweig 12 oder den Abgaszweig 13 teilweise bis vollständig verschließen bzw. öffnen kann. Somit ist lediglich ein Strömungssteuermittel 15 erforderlich, mit dem eine vollständige Steuerung der Abgasströmung durch beide Abgaszweige 12, 13 möglich ist. Selbstverständlich ist auch die Anordnung mehrerer Strömungssteuermittel 15, beispielsweise jeweils ein jedem separaten Abgaszweig 12, 13 zugeordnetes Strömungssteuermittel 15, möglich.
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Je nach Stellung des Strömungssteuermittels 15 ist somit die in dem Abgasstrang 10 geführte Abgasströmung sowohl vollständig über den als Wärmesenke betreibbaren Abgaszweig 12 leitbar, das heißt das Strömungssteuermittel 15 verschließt den als Wärmequelle betreibbaren Abgaszweig 13 vollständig, oder die Abgasströmung ist vollständig über den als Wärmequelle betreibbaren Abgaszweig 13 leitbar, das heißt das Strömungssteuermittel 15 verschließt den als Wärmesenke betreibbaren Abgaszweig 12 vollständig. Ferner ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Abgasströmung ebenfalls mittels beliebiger Zwischenstellungen des Strömungssteuermittels 15 zwischen den zuvor erwähnten Endstellungen gleichzeitig sowohl über den einen Abgaszweig 12 als auch über den anderen Abgaszweig 13 leitbar. Somit ist eine besonders genaue und fein graduierte Steuerung der Abgastemperatur nach der stromabwärtigen Verzweigungsstelle 16, das heißt nach der Einmündung beider Abgaszweige 12 und 13 in den Abgasstrang 10, möglich. In einer einfacheren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Abgasanlage ist jedoch auch ein Strömungssteuermittel einsetzbar, das lediglich den einen Abgaszweig 12 oder den anderen Abgaszweig 13 vollständig verschließen bzw. öffnen kann und somit keine Zwischenstellungen zuläßt.
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Stromab der separaten Abgaszweige 12 und 13, das heißt nachdem beide Abgaszweige 12 und 13 an der stromabwärtigen Verzweigungsstelle 16 wieder in den Abgasstrang 10 einmünden, ist eine zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung 17 im Abgasstrang 10 angeordnet. Diese Abgasnachbehandlungseinrichtung 17 weist wenigstens einen SCR-Katalysator und/oder einen NOx-Speicherkatalysator auf. Um dem SCR-Katalysator in der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung 17 Reduktionsmittel, beispielsweise Ammoniak oder Harnstoff in wäßriger Lösung, zuzuführen, ist stromauf der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung 17 eine Reduktionsmittel-Injektionsvorrichtung 18 zum Eindüsen des Reduktionsmittels in den Abgasstrang 10 vorgesehen.
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Das Strömungssteuermittel 15, insbesondere die Stellung des Strömungssteuermittels 15, wird in bevorzugter Weise von einer in der 1 nicht dargestellten Steuereinrichtung gesteuert. Als Eingangsparameter zur Ermittlung der optimalen Stellung des Strömungssteuermittels 15 werden insbesondere die Abgastemperatur der Brennkraftmaschine 2 und/oder der Abgasmassenstrom und/oder das Verhältnis des in einem den Abgaszweigen 12 und 13 nachgeordneten SCR-Katalysator gespeicherten Ammoniaks bezogen auf die Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators und/oder das Verhältnis der in einem den Abgaszweigen 12 und 13 nachgeordneten NOx-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide bezogen auf die Stickoxidspeicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators und jede beliebige Kombination hiervon herangezogen.
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Die vorgenannten Parameter können mittels geeigneter Sensoren in bekannter Weise gemessen oder gegebenenfalls auch aus bereits vorliegenden Meßwerten anderer Betriebsparameter der Abgasanlage 1 bzw. der Brennkraftmaschine 2 berechnet werden. Somit ist stets eine an den aktuellen Betriebszustand der Abgasanlage 1 optimal angepaßte Steuerung bzw. Stellung des Strömungssteuermittels 15 gewährleistet. Das Strömungssteuermittel 15 kann hierfür sowohl elektrisch als auch mechanisch steuerbar sein.
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Wenn beispielsweise bei einem Lastsprung der Brennkraftmaschine 2, wie er zum Beispiel bei einer plötzlichen Leistungsanforderung eines Benutzers auftritt, die Abgastemperatur der Brennkraftmaschine 2 sprungartig ansteigt, wird der Abgasstrom nach dem Passieren der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung 11, in der die Abgase eine erste Reinigung bzw. Konvertierung zum Beispiel mittels eines Oxidationskatalysators und/oder eines Partikelfilters erfahren, wenigstens teilweise oder vollständig mittels des Strömungssteuermittels 15 durch den als Wärmesenke betreibbaren Abgaszweig 12 geleitet. In dem Abgaszweig 12 wird dem Abgas Wärme entzogen, die beispielsweise über an dem Abgaszweig 12 angeordnete, in 1 nicht dargestellte Kühlrippen an die Umgebung abgegeben wird. Anstelle der Kühlrippen oder zusätzlich zu diesen kann an dem Abgaszweig 12 ein in der 1 lediglich angedeuteter Wärmetauscher 19 angeordnet sein, mit dem die dem Abgaszweig 12 entzogene Wärme an den als Wärmequelle betreibbaren Abgaszweig 13 übertragbar ist und dann zur Erwärmung der durch den Abgaszweig 13 strömenden Abgase zur Verfügung steht.
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Das Durchleiten der Abgase durch den Abgaszweig 12 führt dazu, dass sich der sprunghafte Anstieg der Abgastemperatur an der stromaufwärtigen Verzweigungsstelle 14 nicht oder zumindest mit erheblicher Verzögerung und mit einem deutlich abgeschwächten Betrag und zudem innerhalb eines wesentlich längeren Zeitraums zur stromabwärtigen Verzweigungsstelle 16 fortpflanzt, wodurch die Abgastemperatur eingangs der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung 17, insbesondere eingangs des von dieser umfaßten SCR-Katalysators und/oder NOx-Speicherkatalysators, gezielt steuerbar ist. Hierdurch wird eine unkontrollierte thermische Desorption des in dem SCR-Katalysator gespeicherten Ammoniaks bzw. ein Ammoniak-Schlupf vermieden und lediglich das für die normale Umsetzung der Stickoxidemissionen erforderliche Ammoniak verbraucht. Ebenso wird der Stickoxid-Schlupf durch eine unkontrollierte thermische Desorption der in einem NOx-Speicherkatalysator der Abgasnachbehandlungseinrichtung 17 gespeicherten Stickoxide verhindert. Ferner erhöht sich durch die niedrigere Eingangstemperatur an der Abgasnachbehandlungseinrichtung 17 bzw. dem NOx-Speicherkatalysator dessen Stickoxidspeicherkapazität erheblich, so dass die Regenerationsphasen für den NOx-Speicherkatalysator in einem größeren Zeitabstand ausgeführt werden können.
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Sinkt die Abgastemperatur der Brennkraftmaschine 2, beispielsweise nach einer Zurücknahme der Leistungsanforderung der Brennkraftmaschine 2, wird der Abgasstrom nach dem Passieren der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 wenigstens teilweise oder vollständig mittels des Strömungssteuermittels 15 durch den als Wärmequelle betreibbaren Abgaszweig 13 geleitet. In dem Abgaszweig 13 wird dem Abgas zum Beispiel Wärme zugeführt, beispielsweise über den Wärmetauscher 19. Der Wärmetauscher 19 kann hierzu zwischen dem als Wärmesenke betreibbaren Abgaszweig 12 und dem Abgaszweig 13 angeordnet sein, so dass er die von dem Abgaszweig 12 abgegebene Wärme aufnimmt und zu dem Abgaszweig 13 überträgt. Anstelle oder zusätzlich zu dem Wärmetauscher 19 kann der Abgaszweig 13 mit einer in 1 nicht dargestellten Wärmeisolierung versehen sein.
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Das Durchleiten der Abgase durch den als Wärmequelle betreibbaren Abgaszweig 13 führt dazu, dass trotz der sinkenden Abgastemperatur der Brennkraftmaschine 2 das Abgastemperaturniveau zwischen der stromaufwärtigen Verzweigungsstelle 14 und der stromabwärtigen Verzweigungsstelle 16 im Wesentlichen gehalten oder angehoben werden kann, wodurch die Abgastemperatur eingangs der zweiten Abgasnachbehandlungseinrichtung 17, insbesondere eingangs des von dieser umfaßten SCR-Katalysators und/oder NOx-Speicherkatalysators, gezielt steuerbar ist. Somit kann mit der erfindungsgemäßen Abgasanlage stets das für den Betrieb des SCR-Katalysators bzw. NOx-Speicherkatalysators optimale Temperaturfenster sichergestellt werden, insbesondere unabhängig von dem momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2 und somit auch während eines Instationärbetriebs der Brennkraftmaschine 2.
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Die erfindungsgemäße Abgasanlage ist selbstverständlich nicht auf das hierin beschriebene und in der Zeichnung gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist die Erfindung insbesondere nicht lediglich auf die Verwendung von SCR-Katalysatoren bzw. NOx-Speicherkatalysatoren in der den separaten Abgaszweigen nachgeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung beschränkt. Es können ferner weitere Katalysatoren und/oder Filter in dieser Abgasnachbehandlungseinrichtung eingesetzt werden, insbesondere solche, für die eine Temperatursteuerung im Sinne der vorliegenden Erfindung von besonderem Vorteil ist.
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Ferner ist die erfindungsgemäße Abgasanlage nicht lediglich auf die in der 1 dargestellten zwei separaten Abgaszweige beschränkt. Zum Beispiel könnte auch ein dritter, thermisch neutraler Abgaszweig in der Abgasanlage gemäß der Erfindung angeordnet sein, der mittels eines entsprechend ausgelegten Strömungssteuermittels eine noch genauere und feinere Temperatursteuerung stromab der separaten Abgaszweige ermöglicht.
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Ebenso ist die Anordnung der in der 1 dargestellten Zweigstellen der separaten Abgaszweige lediglich beispielhaft zu verstehen. Diese können beliebig entlang des Abgasstrangs der Abgasanlage angeordnet sein. Insbesondere ist es für die Erfindung ebenfalls nicht erforderlich, dass die separaten Abgaszweige jeweils an einer gemeinsamen Zweigstelle von dem Abgasstrang verzweigen bzw. wieder in diesen einmünden.
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In bevorzugter Ausführung wird die erfindungsgemäße Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Otto- oder Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs, eingesetzt und umfaßt eine stromab der Brennkraftmaschine im Abgasstrang angeordnete erste Abgasnachbehandlungseinrichtung, die einen Oxidationskatalysator und/oder einen Partikelfilter aufweist, ferner wenigstens zwei separate Abgaszweige, in die der Abgasstrang stromab der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung geteilt ist, wovon der eine Abgaszweig als Wärmequelle betreibbar ist und der andere Abgaszweig als Wärmesenke betreibbar ist und der Abgasstrom der Brennkraftmaschine mittels eines Strömungssteuermittels teilweise bis vollständig durch den einen Abgaszweig und/oder durch den anderen Abgaszweig leitbar ist, und eine stromab der separaten Abgaszweige im Abgasstrang angeordnete zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung, die wenigstens einen SCR-Katalysator und/oder einen NOx-Speicherkatalysator aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasanlage
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Luftfilter
- 4
- Turbolader
- 5
- Verdichter
- 6
- Ansaugtrakt
- 7
- Turbine
- 8
- Welle
- 9
- Abgasstrom
- 10
- Abgasstrang
- 11
- Erste Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 12
- Als Wärmesenke betreibbarer separater Abgaszweig
- 13
- Als Wärmequelle betreibbarer separater Abgaszweig
- 14
- Stromaufwärtige Verzweigungsstelle
- 15
- Strömungssteuermittel
- 16
- Stromabwärtige Verzweigungsstelle
- 17
- Zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 18
- Reduktionsmittel-Injektionsvorrichtung
- 19
- Wärmetauscher
