DE102017007863A1

DE102017007863A1 - Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgasanlage

Info

Publication number: DE102017007863A1
Application number: DE102017007863.7A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Fingerle; Markus Paule; Detlef Scharr; Robert Stevic
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2019-02-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage (10) für eine Verbrennungskraftmaschine (12), mit wenigstens einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren SCR-Katalysator (22), mit einer stromauf des SCR-Katalysators (22) angeordneten Zugabestelle (Z), und mit einer Dosiereinrichtung (24), mittels welcher an der Zugabestelle (Z) ein Reduktionsmittel in das Abgas einbringbar ist, wobei wenigstens ein stromab der Zugabestelle (Z) und stromab des SCR-Katalysators (22) angeordneter weiterer SCR-Katalysator (28) vorgesehen ist, welcher über die Zugabestelle (Z) mittels der den SCR-Katalysatoren (22, 28) gemeinsamen Dosiereinrichtung (24) mit dem Reduktionsmittel versorgbar ist und die Dosiereinrichtung (24) wenigstens einen Injektor (26) aufweist, mittels welchem das Reduktionsmittel an der Zugabestelle (Z) in das Abgas einbringbar ist, wobei der Injektor (26) aufweist:- ein eine von dem Reduktionsmittel durchströmbare Kanaleinrichtung (36) aufweisendes Gehäuse (34);- wenigstens eine über die Kanaleinrichtung (36) mit dem Reduktionsmittel versorgbare und von dem Reduktionsmittel durchströmbare erste Ausspritzöffnung (38) zum Ausspritzen des Reduktionsmittels aus dem Injektor (26); und- wenigstens eine über die Kanaleinrichtung (36) mit dem Reduktionsmittel versorgbare und von dem Reduktionsmittel durchströmbare zweite Ausspritzöffnung (40) zum Ausspritzen des Reduktionsmittels aus dem Injektor (26).

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren SCR-Katalysator, mit einer stromauf des SCR-Katalysators angeordneten Zugabestelle, und mit einer Dosiereinrichtung, mittels welcher an der Zugabestelle ein Reduktionsmittel in das Abgas einbringbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgasanlage.
Eine solche Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein solches Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgasanlage sind beispielsweise bereits aus der DE 10 2004 036 036 A1 bekannt. Die Abgasanlage weist wenigstens einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren SCR-Katalysator auf, welcher zum Bewirken beziehungsweise Unterstützen einer. selektiven katalytischen Reduktion (SCR - Selective Catalytic Reduction) zum zumindest teilweisen Entfernen von im Abgas enthaltenen Stickoxiden (NO_x) ausgebildet ist. Das zumindest teilweise Entfernen von im Abgas enthaltenen Stickoxiden mithilfe der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) und somit mithilfe des SCR-Katalysators wird auch als Entsticken des Abgases bezeichnet.
Die Abgasanlage weist ferner eine Zugabestelle auf, welche in Strömungsrichtung des den SCR-Katalysator beziehungsweise die Abgasanlage durchströmenden Abgases stromauf des SCR-Katalysators, das heißt vor dem SCR-Katalysator, angeordnet ist. Außerdem ist eine Dosiereinrichtung vorgesehen, mittels welcher an der Zugabestelle ein Reduktionsmittel, insbesondere eine wässrige Harnstofflösung (HWL), in das Abgas einbringbar, insbesondere einspritzbar, ist. Somit ist es im Rahmen des Verfahrens vorgesehen, dass das Reduktionsmittel mittels der Dosiereinrichtung an der Zugabestelle in das Abgas eingebracht wird. Da die Zugabestelle stromauf des SCR-Katalysators angeordnet ist, kann das in das Abgas eingebrachte Reduktionsmittel den SCR-Katalysator zusammen mit dem Abgas durchströmen. In der Folge kann beispielsweise aus dem Reduktionsmittel stammender Ammoniak mit im Abgas enthaltenen Stickoxiden im Rahmen der SCR zu Wasser und Stickstoff reagieren, wodurch das Abgas entstickt wird.
Außerdem offenbart die DE 100 58 153 A1 eine Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen, mit einem Düsenkörper, wobei der Düsenkörper mindestens ein erstes Spritzloch und mindestens ein zweites Spritzloch aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasanlage und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auf besonders einfache Weise realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasanlage gelöst mit wenigstens einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren SCR-Katalysator, mit einer stromauf des SCR-Katalysators angeordneten Zugabestelle, und mit einer Dosiereinrichtung, mittels welcher an der Zugabestelle ein Reduktionsmittel in das Abgas einbringbar ist, wobei wenigstens ein stromab der Zugabestelle und stromab des SCR-Katalysators angeordneter weiterer SCR-Katalysator vorgesehen ist, welcher über die Zugabestelle mittels der den SCR-Katalysatoren gemeinsamen Dosiereinrichtung mit dem Reduktionsmittel versorgbar ist. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
Mit einer solchen Abgasanlage ist ein besonders emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auf besonders einfache Weise realisierbar. Die Zugabestelle und die Dosiereinrichtung werden somit erfindungsgemäß nicht nur genutzt, den ersten SCR-Katalysator mit Reduktionsmittel zu versorgen, sondern die Zugabestelle und die Dosiereinrichtung werden auch genutzt, um auch den weiteren SCR-Katalysator mit Reduktionsmittel zu versorgen. Dabei sind die SCR-Katalysatoren nicht etwa parallel, sondern in Strömungsrichtung des Abgases seriell zueinander und somit hintereinander angeordnet beziehungsweise geschaltet. Hierdurch kann die Systemkomplexität der Abgasanlage besonders gering gehalten werden, wobei gleichzeitig die Emissionen, insbesondere die Stickoxid-Emissionen (NO_x-Emissionen) besonders gering gehalten werden können.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der erste SCR-Katalysator als ein motornaher SCR-Katalysator ausgebildet und demzufolge besonders nahe an der Verbrennungskraftmaschine und insbesondere in einem Motorraum anordenbar oder angeordnet sind, in welchem auch die Verbrennungskraftmaschine anordenbar beziehungsweise angeordnet ist. Der Motorraum ist ein beispielsweise zumindest teilweise durch die Karosserie des Kraftfahrzeugs begrenzter Bereich oder Raum, in welchem die Verbrennungskraftmaschine sowie vorzugsweise der erste SCR-Katalysator angeordnet ist. Durch diese motornahe Anordnung kann der erste SCR-Katalysator besonders schnell auf eine besonders vorteilhafte Temperatur gebracht werden, bei welcher der SCR-Katalysator eine selektive katalytische Reduktion (SCR - Selective Catalytic Reduction) zum zumindest teilweisen Entfernen von im Abgas enthaltenen Stickoxiden bewirken beziehungsweise unterstützen kann.
Vorzugsweise ist der erste SCR-Katalysator als Partikelfilter, insbesondere als Dieselpartikelfilter, ausgebildet, welcher mit einer SCR-Schicht versehen ist. Somit ist der erste SCR-Katalysator beispielsweise als SDPF ausgebildet. Die SCR-Schicht ist eine katalytische beziehungsweise katalytisch wirksame Schicht, mittels welcher die SCR (selektive katalytische Reduktion) unterstützt beziehungsweise bewirkt wird. Ferner ist es denkbar, dass der erste SCR-Katalysator ein SCR-Katalysator mit wenigstens zwei in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander beziehungsweise aufeinanderfolgend angeordneten Bauelementen ist, sodass der erste SCR-Katalysator beispielsweise als zweiteiliges Element ausgebildet ist. Ein erstes der Bauelemente des ersten SCR-Katalysators ist beispielsweise ein mit einer SCR-Schicht versehener Partikelfilter, insbesondere Dieselpartikelfilter, während das beispielsweise in Strömungsrichtung des Abgases stromab des ersten Bauelements angeordnete zweite Bauelement des ersten SCR-Katalysators als eigentlicher SCR-Katalysator ausgebildet ist.
Der Erfindung liegt insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Emissionen werden zunehmend als Nachteil einer Verbrennungskraftmaschine in der Automobilindustrie dargestellt und angesehen, sei es bei der Zertifizierung, beim Verkauf oder in Umweltzonen. Stand der Technik ist beispielsweise, ein insbesondere flüssiges Reduktionsmittel insbesondere in Form einer wässrigen Harnstofflösung (HWL) in Abgas einer Verbrennungskraftmaschine einzubringen, insbesondere einzuspritzen beziehungsweise einzudosieren, um das Abgas mittels des SCR nachzubehandeln. Dabei wird das Reduktionsmittel beispielsweise mittels eines Injektors in die Abgasanlage beziehungsweise in das Abgas eindosiert. Insbesondere wird das Reduktionsmittel in ein von dem Abgas durchströmbares Leitungselement der Abgasanlage eingebracht. Heutige motornah angeordnete SCR-Katalysatoren haben den Vorteil, dass sie schnell eine hinreichende Mindesttemperatur, die sogenannte Light-Off-Temperatur, erreichen. Nachteilig ist dabei jedoch, dass bei sehr heißer Verbrennung mit hohem Abgasmassenstrom das Volumen des motornahen SCR-Katalysators üblicherweise nicht ausreicht, um eine hinreichende SCR zu bewirken beziehungsweise zu unterstützen. Die Verweilzeit an aktiven katalytischen Zentren ist zu kurz oder sind zu wenige aktive Zentren am SCR-Katalysator erreichbar, um einen hinreichenden, insbesondere vollständigen, NO_x-Umsatz zu erreichen.
Ferner ist man bestrebt, das Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas aufgrund steigender Anforderungen an die Emissionsminderung zu verbessern. Ein Ansatz hierbei ist, die physikalischen applikativ gegebenen Grenzen der SCR-Katalysatoren auszudehnen, indem beispielsweise stromab des ersten SCR-Katalysators wenigstens ein oder mehrere SCR-Katalysatoren angeordnet werden. Der weitere SCR-Katalysator ist beispielsweise in einer sogenannten Unterboden-Position und dabei im Bereich eines oder unterhalb eines Unterbodens des Kraftfahrzeugs angeordnet, wobei der Unterboden beispielsweise durch einen Aufbau, insbesondere durch eine selbsttragende Karosserie, des Kraftfahrzeugs gebildet ist.
Während der Startphase eines insbesondere als Dieselfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs ist ein schnelles Erreichen eines optimalen Temperaturfensters vorteilhaft für die Abgasnachbehandlung beziehungsweise Abgasreinigung, was beispielsweise durch eine motornahe Anordnung des ersten SCR-Katalysators realisiert werden kann. Der jeweilige SCR-Katalysator wird auch als DeNO_x-Katalysator bezeichnet, wobei der motornah angeordnete SCR-Katalysator gegebenenfalls aufgrund hoher Abgastemperaturen seinen optimalen Wirkbereich überschreiten kann. Daher kommt der stromabwärts angeordnete weitere SCR-Katalysator zum Einsatz, insbesondere bei schweren Dieselfahrzeugen, die bei hoher Last und Drehzahl betrieben werden. Über die Abgasstrecke und die Wärmekapazität der Abgasanlage kann nach dem motornahen SCR-Katalysator der Abgasstrom abkühlen, sodass der weitere SCR-Katalysator nicht übermäßig heiß wird.
Wenn das Abgas den weiteren SCR-Katalysator erreicht, kann der weitere SCR-Katalysator die Reinigung des Abgases vollenden. Somit ist der erste SCR-Katalysator ein DeNO_x-Katalysator, welcher schnell erwärmt wird und früh die Schadstoffemissionen reduzieren kann. Der weitere SCR-Katalysator ist ein weiterer DeNO_x-Katalysator, der bei Übertemperatur des ersten motornahen SCR-Katalysators, das heißt wenn dieser sein optimales Temperaturfenster verlässt, die Schadstoffminderung übernimmt.
Um nun die Emissionen auf besonders einfache und kostengünstige Weise besonders gering halten zu können, wird vorzugsweise auf eine weitere, auch als Dosierstelle bezeichnete Zugabestelle zwischen den SCR-Katalysatoren und somit auf eine Dosierstelle in der Unterboden-Position verzichtet. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass ein sich von dem ersten SCR-Katalysator, insbesondere von dessen Ende, durchgehend bis zum weiteren SCR-Katalysator, insbesondere bis zu dessen Anfang, erstreckender und von dem Abgas durchströmbarer Strömungspfad vollständig frei von Zugabestellen ist, an denen das Reduktionsmittel in das Abgas einbringbar ist. Im Gegensatz zur Verwendung der bei der erfindungsgemäßen Abgasanlage vorgesehenen Zugabestelle und einer weiteren Zugabestelle, welche stromab des ersten SCR-Katalysators und stromauf des Weiteren SCR-Katalysators angeordnet ist, ergibt sich eine technische Vereinfachung der Abgasanlage, insbesondere deren Aufbau, sodass die Kosten, der Bauraumbedarf und das Gewicht besonders gering gehalten werden können.
Beispielsweise durch eine Anpassung der Dosiereinrichtung, mittels welcher an der stromauf des ersten SCR-Katalysators angeordneten Zugabestelle das Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht werden kann, kann eine hinreichende Versorgung beider SCR-Katalysatoren mit dem Reduktionsmittel gewährleistet werden. Da die Zugabestelle stromauf des ersten SCR-Katalysators angeordnet ist, wird die Zugabestelle auch als motornahe Dosierstelle oder motornahe Zugabestelle bezeichnet, wobei die Dosiereinrichtung auch als motornahe Dosiereinrichtung bezeichnet wird.
Da der jeweilige SCR-Katalysator und somit insbesondere der weitere SCR-Katalysator auf eine hinreichende Verfügbarkeit beziehungsweise Versorgung mit Reduktionsmittel, insbesondere mit Ammoniak (NH3) aus dem Reduktionsmittel, angewiesen ist, um eine wirksame Stickoxid-Minderung zu realisieren, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der weitere SCR-Katalysator über die motornahe Zugabestelle mit Reduktionsmittel mitbedient wird.
Dabei haben Versuche ergeben, dass die Versorgung des weiteren SCR-Katalysators über die motornahe Zugabestelle mittels der Dosiereinrichtung technisch möglich ist. Hierzu ist beispielsweise eine SCR-Katalysatorformulierung und -auslegung vorgesehen, die auch bei sehr hoher Abgastemperatur insbesondere in einem Bereich von einschließlich 500 Grad Celsius bis einschließlich 700 Grad Celsius möglichst wenig Ammoniak oxidiert, insbesondere in dem ersten SCR-Katalysator. Begünstigt wird eine solch geringe Oxidation in beziehungsweise am motornahen SCR-Katalysator auch durch hohe Abgasvolumenströme, geringe Katalysatortemperaturen, hohe lokale Dosiermengen, da hier Verdampfungswärme des Reduktionsmittels das auch als Abgasstrom oder Gasstrom bezeichnete Abgas kühlt. Der motornahe SCR-Katalysator sollte also eine hinreichende Menge von Reduktionsmittel beziehungsweise Ammoniak für den folgenden, weiteren SCR-Katalysator und eine jeweilige aktuelle Anforderung an die Reduktion der Emissionen bereitstellen können. Mit anderen Worten ist vorzugsweise ein hinreichend hoher Schlupf des ersten SCR-Katalysators vorgesehen, der im Rahmen des genannten Schlupfes eine hinreichende Menge an Reduktionsmittel, insbesondere an unoxidiertem Reduktionsmittel, für den weiteren SCR-Katalysator durchlässt.
Außer einer entsprechenden Katalysatorauslegung ist für eine hinreichende Emissionsreduzierung eine entsprechende Einbringung, insbesondere Dosierung, des Reduktionsmittel in das Abgas vorteilhaft. Um beispielsweise eine unerwünschte Verschlechterung des motornahen ersten SCR-Katalysators zu vermeiden, sollte die auch als Dosiersystem oder SCR-Dosiersystem bezeichnete Dosiereinrichtung bei der erfindungsgemäßen Abgasanlage mindestens die gleichen Anforderungen erfüllen wie beispielsweise bei Abgasanlagen, bei welchen auch zwischen den SCR-Katalysatoren eine Dosiereinrichtung beziehungsweise eine Zugabestelle vorgesehen ist. Dabei hat sich die Lasteinspritzung der Dosiereinrichtung als wichtige Rolle gezeigt: Eine exakte Dosierung von Kleinstmengen des Reduktionsmittels ist für geringe Fahrzeug-Geschwindigkeiten mit geringen Lastanforderungen vorteilhaft. Aufgrund einer prinzipbedingten Lastspreizung der Dosiereinrichtung, insbesondere eines Injektors der Dosiereinrichtung, mittels welchem das Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, ist damit die maximale Menge definiert, welche mittels des Injektors beziehungsweise mittels der Dosiereinrichtung in das Abgas eingebracht werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Dosiereinrichtung die einzige Dosiereinrichtung zum Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas, wodurch die Teileanzahl, das Gewicht und die Kosten besonders gering gehalten werden können bei gleichzeitiger Realisierung einer besonders vorteilhaften Emissionsreduzierung.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Injektor der Dosiereinrichtung, mittels welchem das Reduktionsmittel an der Zugabestelle in das Abgas einbringbar, insbesondere einspritzbar beziehungsweise eindosierbar, ist, ein Gehäuse aufweist, welches eine von dem Reduktionsmittel durchströmbare Kanaleinrichtung aufweist beziehungsweise begrenzt oder bildet. Der Injektor weist ferner wenigstens eine über die Kanaleinrichtung mit dem Reduktionsmittel versorgbare und von dem die Kanaleinrichtung durchströmenden Reduktionsmittel durchströmbare erste Ausspritzöffnung zum Ausspritzen des Reduktionsmittels aus dem Injektor auf. Außerdem weist der Injektor wenigstens eine über die Kanaleinrichtung mit dem Reduktionsmittel versorgbare und von dem die Kanaleinrichtung durchströmenden Reduktionsmittel durchströmbare zweite Ausspritzöffnung zum Ausspritzen des Reduktionsmittels aus dem Injektor auf. Dies bedeutet, dass der Injektor über die Ausspritzöffnung das Reduktionsmittel ausspritzen kann, sodass das die Ausspritzöffnungen durchströmende Reduktionsmittel den Injektor verlässt und aus diesem ausgespritzt und in das Abgas eingespritzt wird.
Aus den vorigen Ausführungen ist erkennbar, dass üblicherweise bei einem Injektor ein Zielkonflikt zwischen der Einbringung einer hinreichend hohen Menge an Reduktionsmittel und der Einbringung einer hinreichend geringen Menge an Reduktionsmittel in das Abgas besteht, wobei die jeweiligen Mengen besonders präzise eingestellt werden sollten. Dieser Zielkonflikt kann insbesondere durch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung gelöst werden, bei welcher der Injektor wenigstens ein in dem Gehäuse angeordnetes und der ersten Ausspritzöffnung zugeordnetes erstes Ventilelement aufweist, welches zwischen einer die erste Ausspritzöffnung versperrenden und beispielsweise die zweite Ausspritzöffnung freigebenden ersten Schließstellung und wenigstens einer die erste Ausspritzöffnung freigebenden und die zweite Ausspritzöffnung freigebenden ersten Offenstellung relativ zu dem Gehäuse, insbesondere translatorisch, bewegbar ist. Außerdem weist der Injektor vorzugsweise wenigstens ein in dem Gehäuse angeordnetes und der zweiten Ausspritzöffnung zugeordnetes zweites Ventilelement auf, welches zwischen einer die zweite Ausspritzöffnung versperrenden und die erste Ausspritzöffnung freigebenden zweiten Schließstellung und wenigstens einer die zweite Ausspritzöffnung freigebenden und die erste Ausspritzöffnung freigebenden zweiten Offenstellung relativ zu dem Gehäuse, insbesondere translatorisch, bewegbar ist. Dabei ist ein dem ersten Ventilelement zugeordneter erster Aktor vorgesehen, mittels welchem das erste Ventilelement bewegbar ist. Außerdem umfasst der Injektor einen dem zweiten Ventilelement zugeordneten zweiten Aktor, mittels welchem das zweite Ventilelement bewegbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen Injektor sind somit zwei separat beziehungsweise getrennt arbeitende Injektoren in den erfindungsgemäßen, kompakten Injektor integriert und somit zu einem kompakten Bauteil zusammengefasst. Das jeweilige Ventilelement ist beispielsweise als Injektornadel ausgebildet, wobei die jeweilige Ausspritzöffnung beispielsweise als ein Ringspalt oder als eine rotationssymmetrisch angeordnete Öffnung ausgebildet ist. Der jeweilige Aktor umfasst beispielsweise eine elektrische Spule, welche von einem elektrischen Strom durchströmbar ist. Die Aktoren sind vorzugsweise getrennt beziehungsweise unabhängig voneinander ansteuerbar, insbesondere über einen den Aktoren gemeinsamen Stecker, über welchen beispielsweise elektrischer Strom den Aktoren zugeführt werden kann. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, wahlweise eines der Ventilelemente zu öffnen, während das jeweils andere Ventilelement geschlossen bleibt, oder es können beide Ventilelemente gleichzeitig aktiviert und somit geöffnet werden. Durch gleichzeitiges Öffnen der Ventilelemente kann ein besonders hoher und insbesondere maximaler Durchfluss an Reduktionsmittel durch den Injektor realisiert werden, sodass eine besonders hohe Menge des Reduktionsmittels in das Abgas eingebracht werden kann. Beispielsweise ist die jeweilige Ausspritzöffnung durch eine Spritzlochscheibe oder durch jeweilige Spritzlochscheiben gebildet.
Durch entsprechende Ausgestaltung der jeweiligen Ausspritzöffnung, insbesondere der jeweiligen Spritzlochscheibe, kann ein sehr feines Spray, welches aus dem Reduktionsmittel entsteht, mit kleinem Tropfendurchmesser für eine schnelle, gleichmäßige Verdampfung und Gemischaufbereitung erzeugt werden.
Ferner ist der Einsatz von wenigstens zwei separaten beziehungsweise getrennten Injektoren denkbar. Beispielsweise kann mittels des jeweiligen Injektors ein Strahl, insbesondere ein Schnurstrahl, welcher beispielsweise grob gerichtet, ist, ausgespritzt beziehungsweise ausgestrahlt werden. Der Strahl zieht beispielsweise - auch bei hohem Abgasstrom - gezielt auf einen Bereich der Abgasanlage. In diesem Bereich ist beispielsweise der motornahe SCR-Katalysator ausgespart, oder in dem Bereich ist eine auch als Bypassrohr bezeichnete Umgehungsleitung vorgesehen, oder der Bereich ist frei von einer SCR-Beschichtung, welche beispielsweise auf ein als Wabenkörper ausgebildetes Substrat des motornahen SCR-Katalysators aufgebracht ist. Hierdurch kann das in den Bereich gespritzte Reduktionsmittel den ersten motornahen SCR-Katalysator durchströmen und/oder umgehen, ohne von dem ersten motornahen SCR-Katalysator oxidiert beziehungsweise verbraucht zu werden. Das unverbrauchte beziehungsweise nicht-oxidierte Reduktionsmittel kann dann beispielsweise dem weiteren SCR-Katalysator zugeführt werden und diesen durchströmen, wodurch der weitere SCR-Katalysator mit einer hinreichenden Menge an nicht-oxidiertem beziehungsweise unverbrauchtem und somit frischem Reduktionsmittel versorgt werden kann.
Beispielsweise sind die SCR-Katalysatoren in einem von dem Abgas durchströmbaren Leitungselement angeordnet. Die zuvor genannte Umgehungsleitung ist beispielsweise an jeweiligen Verbindungsstellen fluidisch mit dem Leitungselement verbunden, wobei beispielsweise eine erste der Verbindungsstellen stromauf zumindest eines Teilbereichs des ersten SCR-Katalysators angeordnet ist. Die zweite Verbindungsstelle ist stromab der ersten Verbindungsstelle angeordnet und dabei beispielsweise stromab des ersten SCR-Katalysators und stromauf des zweiten SCR-Katalysators angeordnet. Dadurch kann beispielsweise mittels der Umgehungsleitung an der ersten Verbindungsstelle zumindest ein Teil des in das Abgas eingebrachten und noch unverbrauchten Reduktionsmittels aus dem Leitungselement abgezweigt werden, da das Reduktionsmittel beispielsweise mittels der Dosiereinrichtung, insbesondere mittels des Injektors, in das Leitungselement eingespritzt wird. Dabei ist beispielsweise die Zugabestelle in dem Leitungselement und dabei stromauf des SCR-Katalysators angeordnet. Das abgezweigte, unverbrauchte Reduktionsmittel kann die Umgehungsleitung durchströmen und somit zumindest den Teilbereich des ersten SCR-Katalysators umgehen, ohne zumindest den Teilbereich des ersten SCR-Katalysators zu durchströmen und ohne mittels des ersten SCR-Katalysators oxidiert zu werden. An der zweiten Verbindungsstelle kann das die Umgehungsleitung durchströmende Reduktionsmittel aus der Umgehungsleitung aus- und in das Leitungselement einströmen. Da die zweite Verbindungsstelle stromab des ersten SCR-Katalysators und stromauf des weiteren SCR-Katalysators angeordnet ist, kann das die Umgehungsleitung durchströmende und unverbrauchte Reduktionsmittel dann durch den weiteren SCR-Katalysator strömen und im Rahmen der durch den weiteren SCR-Katalysator bewirkten SCR mit im Abgas enthaltenen Stickoxiden zu Wasser und Stickstoff reagieren. Hierdurch wird das Abgas mittels des Weiteren SCR-Katalysators hinreichend entstickt. Unter diesem Entsticken des Abgases ist zu verstehen, dass zumindest ein Teil von in dem Abgas enthaltenen Stickoxiden (NO_x) aus dem Abgas entfernt wird.
Das Reduktionsmittel umfasst beispielsweise zumindest Wasser und somit einen Wasseranteil. Durch eine Verdampfung zumindest des Wasseranteils des Reduktionsmittels beziehungsweise des Reduktionsmittels insgesamt kann beispielsweise das Reduktionsmittel den jeweiligen SCR-Katalysator, insbesondere den ersten motornahen SCR-Katalysator, so kühlen, dass Verluste des Reduktionsmittels durch Oxidation besonders gering gehalten werden können.
Insbesondere ist es möglich, das Reduktionsmittel in flüssigem, unverdampftem Zustand an der ersten, vorzugsweise stromauf des vollständigen ersten SCR-Katalysators angeordneten, Verbindungsstelle aufzufangen und abzuzweigen und an dem ersten SCR-Katalysator vorbeizuleiten. Dabei ist beispielsweise an der ersten Verbindungsstelle ein Einlauf vorgesehen, mittels welchem das in das Leitungselement eingebrachte Reduktionsmittel in die Umgehungsleitung geführt wird. Der Einlauf ist vorzugsweise so angeordnet, dass er bei hohem Abgasstrom das flüssige Reduktionsmittel sammelt und in die auch als Bypass oder Bypassleitung bezeichnete Umgehungsleitung leitet.
Auf diese Weise kann der weitere SCR-Katalysator gezielt mit unverbrauchtem und vorzugsweise flüssigem Reduktionsmittel beziehungsweise Folgeprodukten aus dem Reduktionsmittel versorgt werden. In einer vorteilhaften Ausführung wird die auch als Transferleitung bezeichnete Umgehungsleitung, insbesondere deren Verlauf, so in die Abgasanlage integriert, dass das beispielsweise zunächst flüssige und die Umgehungsleitung durchströmende Reduktionsmittel zumindest teilweise verdampft und möglichst gasförmig nach dem motornahen ersten SCR-Katalysator an der zweiten Verbindungsstelle in das Leitungselement eingeleitet wird. Somit kommt das beispielsweise die Umgehungsleitung durchströmende Reduktionsmittel gasförmig beziehungsweise in Dampfform an dem weiteren SCR-Katalysator an. Durch diese Verdampfung des Reduktionsmittels, wobei die Verdampfung vorzugsweise durch die Umgehungsleitung bewirkt wird, bleibt die Umgehungsleitung aufgrund eines Wärmeeintrags frei von blockierenden, aus dem Reduktionsmittel stammenden Ablagerungen. So kann erreicht werden, dass an der auch als Dosierstelle bezeichneten Zugabestelle vor dem ersten motornahen SCR-Katalysator eine hinreichende Menge des Reduktionsmittels sowohl für den ersten motornahen SCR-Katalysator als auch für den beispielsweise als Unterbodenkatalysator ausgebildeten weiteren SCR-Katalysator bereitgestellt wird. Eine erwünschte Sprayqualität kann bei dem Injektor beispielsweise über die Anzahl, Ausrichtung und Größe der auch als Spritzlöcher bezeichneten Ausspritzöffnungen eingestellt werden.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn sich die Ausspritzöffnungen in ihren jeweiligen, von dem Reduktionsmittel durchströmbaren Strömungsquerschnitten voneinander unterscheiden, wobei sich die Strömungsquerschnitte insbesondere in ihrer Form und/oder in ihrer Größe, das heißt in ihrem Flächeninhalt, voneinander unterscheiden.
Die jeweilige Ausspritzöffnung ist beispielsweise durch wenigstens ein Bauelement gebildet. Die Ausspritzöffnungen, insbesondere ihre unterschiedlichen Strömungsquerschnitte, können beispielsweise dadurch auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden, dass das jeweilige, die Ausspritzöffnung begrenzende oder bildende Bauelement durch eine 3D-Drucktechnik oder durch Laserbohren hergestellt ist. Mit anderen Worten ist es denkbar, dass die jeweilige Ausspritzöffnung durch Laserbohren oder durch 3D-Drucken gebildet ist.
Als besonders vorteilhaft hat es sich ferner gezeigt, wenn die erste Ausspritzöffnung durch ein erstes Bauelement und die zweite Ausspritzöffnung durch ein zweites Bauelement des Injektors gebildet ist, wobei die Bauelemente und mit diesen die Ausspritzöffnungen relativ zueinander bewegbar sind. Hierdurch kann beispielsweise ein Spray, welches beim Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas gebildet wird und aus dem Reduktionsmittel besteht, bedarfsgerecht variiert werden. Insbesondere ist es denkbar, dass die Bauelemente in Ausspritzrichtung, entlang welcher das Reduktionsmittel aus dem Injektor aus- und in das Leitungselement eingespritzt wird, hintereinander beziehungsweise aufeinanderfolgend angeordnet sind. Werden die Bauelemente beispielsweise relativ zueinander bewegt, insbesondere relativ zueinander verdreht und/oder translatorisch relativ zueinander bewegt, so können dadurch unterschiedliche Spritzlöcher freigegeben beziehungsweise verschlossen werden.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders emissionsarmer Betrieb auf besonders einfache und kostengünstige Weise realisieren lässt, ist erfindungsgemäß wenigstens ein stromab der Zugabestelle und stromab des SCR-Katalysators angeordneter weiterer SCR-Katalysator vorgesehen, welcher über die Zugabestelle mittels der den SCR-Katalysatoren gemeinsamen Dosiereinrichtung mit dem Reduktionsmittel versorgt wird. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Abgasanlage sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas ausschließlich stromauf der SCR-Katalysatoren, insbesondere an der Zugabestelle, erfolgt. Somit ist es erfindungsgemäße vorgesehen, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Einbringen von Reduktionsmittel zwischen den SCR-Katalysatoren unterbleibt, sodass das Abgas mit einer nur geringen Systemkomplexität hinreichend entstickt werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs;
2 schematische Schnittansichten einer ersten Ausführungsform eines Injektors der Abgasanlage, mittels welchem ein Reduktionsmittel in die Abgasanlage durchströmendes Abgas einbringbar ist;
3 schematische Schnittansichten einer zweiten Ausführungsform des Injektors;
4 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform des Injektors;
5 jeweils ausschnittsweise schematische Schnittansichten des Injektors gemäß der dritten Ausführungsform; und
6 jeweils ausschnittsweise schematische Schnittansichten des Injektors zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben der Abgasanlage.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Abgasanlage 10 für eine Verbrennungskraftmaschine 12 eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs. Die Verbrennungskraftmaschine 12 weist ein beispielsweise als Zylindergehäuse, insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildetes Motorgehäuse 14 und eine Mehrzahl von Brennräumen 16 auf, welche beispielsweise als Zylinder ausgebildet und von dem Motorgehäuse 14 gebildet sind. Während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 12 laufen in den Brennräumen 16 Verbrennungsvorgänge ab, in deren Rahmen ein jeweiliges Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Daraus resultiert Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12, wobei die Abgasanlage 10, insbesondere ein Leitungselement 18 der Abgasanlage 10, von dem Abgas durchströmbar ist. Dabei veranschaulichen in 1 Pfeile 20 das die Abgasanlage 10, insbesondere das Leitungselement 18, durchströmende Abgas, wobei die Pfeile 20 insbesondere eine Strömungsrichtung veranschaulichen, entlang welcher das Abgas durch das Leitungselement 18 beziehungsweise die Abgasanlage 10 strömt. Somit wird mittels der Abgasanlage 10 das Abgas aus den Brennräumen 16 abgeführt.
Die Abgasanlage 10 weist einen von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 durchströmbaren ersten SCR-Katalysator 22 auf, welcher in dem Leitungselement 18 angeordnet ist. Außerdem weist die Abgasanlage 10, insbesondere das Leitungselement 18, eine, insbesondere genau eine, Zugabestelle Z auf, welche auch als Dosierstelle oder Einbringstelle bezeichnet wird. Des Weiteren umfasst die Abgasanlage 10 eine Dosiereinrichtung 24, mittels welcher an der Zugabestelle Z ein, insbesondere flüssiges, Reduktionsmittel in das Abgas und somit in das Leitungselement 18 einbringbar ist. Im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben der Abgasanlage 10 wird das Reduktionsmittel an der Zugabestelle Z mittels der Dosiereinrichtung 24 in das Leitungselement 18 und somit in das das Leitungselemente 18 durchströmende Abgas eingebracht, insbesondere eindosiert beziehungsweise eingespritzt. Hierzu umfasst die Dosiereinrichtung 24 beispielsweise wenigstens einen oder genau einen, beispielsweise aus 2 erkennbaren, Injektor 26, mittels welchem das Reduktionsmittel an der Zugabestelle Z in das Abgas beziehungsweise in das Leitungselement 18 einbringbar ist beziehungsweise eingebracht wird. Das Reduktionsmittel ist beispielsweise eine Flüssigkeit beziehungsweise ein flüssiges Reduktionsmittel und dabei beispielsweise als wässrige Harnstofflösung, das heißt als Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL), ausgebildet.
Der SCR-Katalysator 22 weist beispielsweise eine SCR-Beschichtung auf, welche auch als SCR-Schicht bezeichnet wird und eine selektive katalytische Reduktion (SCR - Selective Catalytic Reduction - selektive katalytische Reduktion) bewirkt beziehungsweise unterstützt.
Da die Zugabestelle Z in Strömungsrichtung des das Leitungselement 18 durchströmenden Abgases stromauf des SCR-Katalysators 22 angeordnet ist, kann das an der Zugabestelle Z in das Abgas eingebrachte Reduktionsmittel zusammen mit dem Abgas den SCR-Katalysator 22 durchströmen und mit im Abgas etwaig enthaltenen Stickoxiden (NO_x) im Rahmen der SCR zu Stickstoff und Wasser reagieren. Insbesondere reagieren die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit Ammoniak aus dem Reduktionsmittel zu Wasser und Stickstoff. Hierdurch werden die in dem Abgas enthaltenen Stickoxide zumindest teilweise aus dem Abgas entfernt, was auch als Entsticken des Abgases bezeichnet wird.
Um nun einen besonders emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 12 auf besonders einfache und kostengünstige Weise zu realisieren, weist die Abgasanlage 10 wenigstens einen weiteren SCR-Katalysator 28 auf, welcher, insbesondere in Strömungsrichtung des das Leitungselement 18 durchströmenden Abgases, stromab der Zugabestelle Z und stromab des ersten SCR-Katalysators 22 angeordnet ist. Insbesondere ist der weitere SCR-Katalysator 28 in Strömungsrichtung des Abgases von dem ersten SCR-Katalysator 22 beabstandet. Dabei ist der weitere SCR-Katalysator 28 über die Zugabestelle Z mittels der den SCR-Katalysatoren 22 und 28 gemeinsamen Dosiereinrichtung 24 mit dem Reduktionsmittel versorgbar, sodass die Zugabestelle Z und die Dosiereinrichtung 24 verwendet werden, um sowohl den SCR-Katalysator 22 als auch den SCR-Katalysator 28 mit dem Reduktionsmittel zu versorgen.
Die Verbrennungskraftmaschine 12 ist beispielsweise in einem durch eine selbsttragende Karosserie des Kraftfahrzeugs begrenzten beziehungsweise gebildeten Motorraum angeordnet. Ferner ist es denkbar, dass der Motorraum durch einen Aufbau des Kraftfahrzeugs zumindest teilweise begrenzt wird, wobei der Aufbau beispielsweise an einem Rahmen des Kraftfahrzeugs gehalten ist. Der erste SCR-Katalysator 22 ist dabei besonders nahe an der Verbrennungskraftmaschine 12 angeordnet und somit als motornaher SCR-Katalysator ausgebildet. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass der SCR-Katalysator 22 in dem Motorraum aufgenommen ist. Demgegenüber ist der weitere SCR-Katalysator 28 außerhalb des Motorraums und dabei insbesondere im Bereich beziehungsweise in Fahrzeughochrichtung unterhalb eines Unterbodens des Kraftfahrzeugs angeordnet, sodass der SCR-Katalysator 28 vorzugsweise als Unterbodenkatalysator ausgebildet ist. Der Unterboden ist dabei beispielsweise durch die selbsttragende Karosserie beziehungsweise durch den Aufbau gebildet.
Die Abgasanlage 10 umfasst darüber hinaus eine oxidationskatalytische Einrichtung 30, welche beispielsweise als Oxidationskatalysator, insbesondere als Dieseloxidationskatalysator(DOC) oder als NOX-Speicherkatalysator (NSK) ausgebildet ist. Dabei ist die Einrichtung 30 in Strömungsrichtung des Abgases stromauf des SCR-Katalysators 22 und stromab der Verbrennungskraftmaschine 12 angeordnet, sodass beispielsweise die Einrichtung 30 in dem Motorraum angeordnet ist. Auch mittels der Einrichtung 30 wird das Abgas nachbehandelt, indem beispielsweise mittels der Einrichtung 30 eine Oxidation von im Abgas enthaltenen Bestandteilen bewirkt ist beziehungsweise bewirkbar ist.
Insbesondere ist aus 1 erkennbar, dass die SCR-Katalysatoren 22 und 28 in dem Leitungselement 18 angeordnet sind. Ferner ist auch die Einrichtung 30 in dem Leitungselement 18 angeordnet. Dabei weist die Abgasanlage 10, insbesondere das Leitungselement 18, einen sich von dem SCR-Katalysator 22, insbesondere von dessen Ende, durchgehend bis zum weiteren SCR-Katalysator 28, insbesondere dessen Anfang, erstreckenden und von dem Abgas durchströmbaren Strömungspfad 32 auf, welcher beispielsweise eine Strömungsstrecke oder ein Strömungsweg ist, welcher sich durchgehend und vollständig von dem SCR-Katalysator 22 bis zu dem SCR-Katalysator 28 erstreckt. Der Strömungspfad 32 ist dabei vollständig frei von Zugabestellen, an denen das Reduktionsmittel in das Abgas einbringbar ist. Mit anderen Worten ist es bei der Abgasanlage 10 vorgesehen, dass in dem Strömungspfad 32 ein Einbringen von Reduktionsmittel in das Leitungselement 18 beziehungsweise in das Abgas unterbleibt, sodass vorzugsweise ein Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas ausschließlich stromauf der SCR-Katalysatoren 22 und 28 und vorzugsweise stromab der Einrichtung 30 erfolgt, insbesondere an der Zugabestelle Z. Dabei ist die Dosiereinrichtung 24 die einzige Dosiereinrichtung zum Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas.
Aus 2 ist erkennbar, dass der Injektor 26 ein Gehäuse 34 mit einer Kanaleinrichtung 36 aufweist, welche von dem Reduktionsmittel durchströmbar ist. Dabei ist die Kanaleinrichtung 36 durch das Gehäuse 34 zumindest teilweise gebildet beziehungsweise begrenzt. Der Injektor 26 weist ferner eine Mehrzahl von ersten Ausspritzöffnungen 38 auf, welche mittels der Kanaleinrichtung 36 mit dem Reduktionsmittel versorgbar und von dem Reduktionsmittel, mit welchem die Ausspritzöffnungen 38 über die Kanaleinrichtung 36 versorgt werden, durchströmbar sind. Ferner weist der Injektor 26 eine Mehrzahl von zweiten Ausspritzöffnungen 40 auf, welche mittels der Kanaleinrichtung 36 mit dem Reduktionsmittel versorgbar und von dem Reduktionsmittel, mit welchem die Ausspritzöffnungen 40 mittels der Kanaleinrichtung 36 versorgt werden, durchströmbar sind. Über die Ausspritzöffnungen 38 kann der Injektor 26 das Reduktionsmittel, welches die Kanaleinrichtung 36 durchströmt, ausspritzen und dadurch in das Leitungselement 18 und somit in das Abgas einspritzen. Aus 2 ist erkennbar, dass die Ausspritzöffnungen 38 und 40 jeweils zumindest teilweise durch eine Spritzlochscheibe 42 gebildet sind, die beispielsweise eine den Ausspritzöffnungen 38 und 40 gemeinsame Spritzlochscheibe ist. Die Spritzlochscheibe 42 ist beispielsweise an dem Gehäuse 34 festgelegt und somit relativ zu dem Gehäuse 34 unbeweglich. Insbesondere durchdringen zumindest jeweilige Teile der Ausspritzöffnungen 38 und 40 die Spritzlochscheibe 42, sodass diese Teile als Durchgangsöffnungen der Spritzlochscheibe 42 ausgebildet sind. Beispielsweise ist die Anzahl der Ausspritzöffnungen 38 kleiner, größer oder gleich der Anzahl der Ausspritzöffnungen 40. Ferner ist es denkbar, dass sich die Ausspritzöffnungen 38 und 40 in ihren jeweiligen, von dem Reduktionsmittel durchströmbaren Strömungsquerschnitten voneinander unterscheiden, wobei sich die Strömungsquerschnitte insbesondere hinsichtlich ihrer Flächeninhalte voneinander unterscheiden. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, besonders geringe Mengen des Reduktionsmittels einstellen und in das Abgas einbringen zu können, wobei es ferner möglich ist, besonders große Mengen des Reduktionsmittels einstellen und in das Abgas einbringen zu können. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, bei geringen Lasten und/oder bei einem geringen, das Leitungselement 18 durchströmenden Abgasmassenstrom besonders geringe Mengen des Reduktionsmittels mittels des Injektors 26 in das Abgas einzubringen. Bei demgegenüber höheren Lasten und höheren Abgasmassenströmen ist es jedoch möglich, besonders große Mengen des Reduktionsmittels mittels des Injektors 26 in das Leitungselement 18 und somit in das Abgas einzubringen.
Um sowohl besonders große Mengen als auch besonders kleine Mengen des Reduktionsmittels vorteilhaft einstellen zu können, ist es bei einer in 2 veranschaulichten ersten Ausführungsform des Injektors 26 vorgesehen, dass der Injektor 26 wenigstens ein in dem Gehäuse 34 angeordnetes und den ersten Ausspritzöffnungen 38 zugeordnetes erstes Ventilelement 44 aufweist. Ferner weist der Injektor 26 wenigstens ein in dem Gehäuse 34 angeordnetes und der jeweiligen zweiten Ausspritzöffnung 40 zugeordnetes zweites Ventilelement 46 auf. Das jeweilige Ventilelement 44 beziehungsweise 46 ist beispielsweise als Ventilnadel oder Düsennadel ausgebildet und dabei zwischen einer jeweiligen, in 2 gezeigten Schließstellung und wenigstens einer jeweiligen Offenstellung relativ zu dem Gehäuse 34, insbesondere translatorisch, bewegbar. In der jeweiligen Schließstellung verschließt das jeweilige Ventilelement 44 beziehungsweise 46 die jeweils zugehörige Ausspritzöffnung 38 beziehungsweise 40, sodass dann kein Reduktionsmittel aus der jeweiligen Ausspritzöffnung 38 beziehungsweise 40 ausgespritzt wird. In der jeweiligen Offenstellung jedoch gibt das jeweilige Ventilelement 44 beziehungsweise 46 die jeweils zugeordnete Ausspritzöffnung 38 beziehungsweise 40 frei, sodass dann das Reduktionsmittel aus der jeweiligen Ausspritzöffnung 38 beziehungsweise 40 ausgespritzt wird.
Dabei ist dem ersten Ventilelement 44 ein erster Aktor 48 zugeordnet, mittels welchem das Ventilelement 44 bewegbar ist. Ferner ist dem jeweiligen Ventilelement 46 ein zweiter Aktor 50 zugeordnet, mittels welchem das Ventilelement 46 bewegbar ist. Der jeweilige Aktor 48 beziehungsweise 50 umfasst hierzu beispielsweise eine elektrische Spule 52, mittels welcher das jeweilige Ventilelement 44 beziehungsweise 46 aus der Schließstellung in die Offenstellung bewegbar ist. Ferner umfasst der Aktor 48 beziehungsweise 50 ein jeweiliges Federelement 54, welches beispielsweise in der jeweiligen Offenstellung gegenüber der jeweiligen Schließstellung stärker gespannt ist und somit eine Federkraft bereitstellt. Die zumindest in der Offenstellung bereitgestellte Federkraft wirkt auf das jeweilige Ventilelement 44 und 46, sodass mittels der jeweiligen Federkraft insbesondere dann, wenn ein Bestromen der jeweiligen Spule 52 beendet wird, das jeweilige Ventilelement 44 beziehungsweise 46 aus der Offenstellung in die Schließstellung bewegt werden kann beziehungsweise bewegt wird.
Die Aktoren 48 und 50 sind beispielsweise separat voneinander ansteuerbar, sodass wahlweise eines der Ventilelemente 44 und 46 geöffnet werden kann, während das jeweils andere Ventilelement 46 beziehungsweise 44 geschlossen bleibt. Ferner ist es denkbar, beide Ventilelemente 44 und 46 gleichzeitig zu schließen beziehungsweise geschlossen zu halten sowie beide Ventilelemente 44 und 46 gleichzeitig geöffnet und offen zu halten, sodass dann eine besonders hohe Menge an Reduktionsmittel in das Abgas eingespritzt wird. Die Ventilelemente 44 und 46 sind somit als separat ansteuerbare Ventilelemente, insbesondere Injektornadeln, ausgebildet. Insbesondere unterscheiden sich die Ventilelemente 44 und 46 in ihren Außenumfängen, insbesondere Außendurchmessern, um dadurch beispielsweise sowohl besonders hohe Mengen als auch besonders geringe Mengen des Reduktionsmittels bedarfsgerecht einstellen zu können. Die Ausspritzöffnungen 40 und das zugehörige Ventilelement 46 werden beispielsweise genutzt, um das Reduktionsmittel unter Bildung eines feinen ersten Sprays in das Abgas einzubringen. Hierdurch können auch geringe Mengen besonders präzise eingestellt und in das Abgas eingebracht werden. Die Ausspritzöffnungen 38 und das Ventilelement 44 werden genutzt, um besonders hohe Mengen des Reduktionsmittels einzustellen und einzubringen. Insbesondere kann das Reduktionsmittel über die Ausspritzöffnungen 38 unter Bildung eines gegenüber dem ersten Spray größeren beziehungsweise dickeren zweiten Sprays in das Abgas einzubringen. Das jeweilige Spray wird auch als Strahl bezeichnet, wobei beispielsweise das erste Spray kleinere Tropfen als das zweite Spray aufweist. Mit anderen Worten sind beispielsweise mittels der Ventilelemente 46 und der Ausspritzöffnungen 40 kleinere Tropfen als mittels der Ausspritzöffnungen 38 und des Ventilelements 44 bewirkbar.
Dieser Ausführungsform liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass beispielsweise bei kleinen Mengen des Reduktionsmittels ein Spray mit kleinen Tröpfchen, weitem Winkel und exakten Kleinstdosiermengen zu realisieren, insbesondere mit einem Sauterdurchmesser (SND) mit weniger als 90 Mikrometern. Dabei werden beispielsweise geringe Mengen des Reduktionsmittels bei geringen Abgasvolumenströmen zudosiert, da beispielsweise geringe Abgasvolumenströme nur kleine Tropfen hinreichend weit transportieren können, sodass das Reduktionsmittel den weiteren SCR-Katalysator 28 erreicht. Bei großen Mengen des Reduktionsmittels weist das Spray vorzugsweise größere Tröpfchen mit einem Sauterdurchmesser (SND) von mehr als 120 Mikrometern und vorzugsweise einen engen Strahl, insbesondere einen Schnurstrahl, und eine hohe Dosiermenge von beispielsweise 5 Kilogramm pro Stunde auf. Somit werden beispielsweise große Mengen des Reduktionsmittels bei hohen Abgasvolumenströmen, welche heißer als geringe Abgasvolumenströme sind, zudosiert, damit das Reduktionsmittel nicht sofort am ersten SCR-Katalysator 22 oxidiert, sondern noch den zweiten SCR-Katalysator 28 erreicht.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Injektors 26. Wie im Folgenden erläutert wird, kann bei der zweiten Ausführungsform das Spray, mittels welchem das Reduktionsmittel in das Abgas eingespritzt wird, variiert werden. Dies wird durch zwei beispielsweise als Spritzlochscheiben 56 und 58 ausgebildete Bauelemente realisiert, welche entlang einer Spritzrichtung, entlang welcher das Reduktionsmittel aus dem Injektor 26 ausgespritzt wird, hintereinander beziehungsweise aufeinanderfolgend angeordnet sind. Die Spritzlochscheiben 56 und 58 weisen jeweilige Ausspritzöffnungen 38 und 40 auf, welche sich beispielsweise voneinander unterscheiden, insbesondere hinsichtlich ihres jeweiligen Strömungsquerschnitts. Die Spritzlochscheiben 56 und 58 sind beispielsweise relativ zueinander bewegbar, insbesondere relativ zueinander drehbar. Werden beispielsweise die Spritzlochscheiben 56 und 58 relativ zueinander bewegt, so werden dadurch unterschiedliche Ausspritzöffnungen 38 und 40 frei. Hierzu sind die auch als Löcher oder Spritzlöcher bezeichneten Ausspritzöffnungen 38 und 40 so in den Spritzlochscheiben 56 und 58 angeordnet, dass bei unterschiedlicher Drehlage der Spritzlochscheiben 56 und 58 zueinander unterschiedliche Löcher, Lochdurchmesser, Lochgeometrie und/oder Lochanzahl frei werden.
Insbesondere ist es denkbar, dass eine der Spritzlochscheiben 56 und 58 an dem Gehäuse 34 festgelegt ist, während die jeweils andere Spritzlochscheibe 58 beziehungsweise 56 relativ zu dem Gehäuse 34 und relativ zu der jeweils einen Spritzlochscheibe 56 beziehungsweise 58 bewegbar, insbesondere drehbar und/oder translatorisch bewegbar, ist. Die Bewegung der Spritzlochscheiben 56 und 58 relativ zueinander wird beispielsweise durch einen Aktor, insbesondere durch ein elektromagnetisches Feld einer Spule, bewirkt, indem beispielsweise die jeweilige Spritzlochscheibe 56 beziehungsweise 58 aus einer, insbesondere durch eine Feder vorgegebenen, Ruhelage bewegt wird. Vorzugsweise ist die Spritzlochscheibe 56 relativ zur Spritzlochscheibe 58 und relativ zum Gehäuse 34 bewegbar, während die Spritzlochscheibe 58 am Gehäuse 34 festgelegt ist, da so eine besonders vorteilhafte äußere Dichtheit des Injektors 26 einfach erreicht werden kann. Auf diese Weise können beispielsweise die vier kleinen Ausspritzöffnungen 40 auf Durchfluss gestellt werden oder in einer anderen Drehlage die große Ausspritzöffnung 38 freigegeben werden.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform können die Spritzlochscheiben 56 und 58 beispielsweise durch einen hohen oder niedrigen hydraulischen Vordruck gegeneinander bewegt, insbesondere verschoben oder gedreht, werden. Insbesondere ist es denkbar, dass die Spritzlochscheiben 56 und 58 relativ zueinander translatorisch bewegt und/oder relativ zueinander gedreht werden können, um dadurch beispielsweise die jeweiligen Ausspritzöffnungen 38 beziehungsweise 40 zu öffnen beziehungsweise zu schließen. Eine elektrische Ansteuerung über eine Spule zum Bewegen beziehungsweise Positionieren der jeweiligen Spritzlochscheibe 56 beziehungsweise 58 kann bei gefrorenem oder auskristallisiertem Reduktionsmittel auch zum Schmelzen des Reduktionsmittels genutzt werden, da beispielsweise ein elektrischer Widerstand der Spule zur Erwärmung des Reduktionsmittels führt, welches in der Folge wieder verflüssigt wird.
4 zeigt eine dritte Ausführungsform des Injektors, bei welchem das Ventilelement 46 an dem Ventilelement 44 gehalten und mit diesem relativ zu dem Gehäuse 34 mitbewegbar ist. Dabei ist ein Ventilsitz 60 für das Ventilelement 44 und ein Ventilsitz 62 für das Ventilelement 46 vorgesehen. Der Ventilsitz 60 ist beispielsweise durch ein erstes Bauelement 64 gebildet, während der Ventilsitz 62 durch ein zweites Bauelement 66 des Injektors 26 gebildet ist. Die Bauelemente 64 und 66 begrenzen dabei wenigstens eine Ausspritzöffnung 38, während das Ventilelement 46 zweite Ausspritzöffnungen 40 in Form von Durchgangsöffnungen des Ventilelements 46 aufweist. Das Ventilelement 46 ist beispielsweise über einen Stift 68 mit dem Ventilelement 44 gekoppelt beziehungsweise an diesem gehalten.
Aus 5 ist erkennbar, dass die Ventilelemente 44 und 46 beispielsweise einen zweistufigen Hub, insbesondere Nadelhub, ausführen können, wobei dieser zweistufige Hub beispielsweise durch die Aktoren 48 und 50, insbesondere durch die Spulen 52, bewirkt werden können. In 5 ist mit S eine Schließstellung bezeichnet, in welcher das Reduktionsmittel nicht ausgespritzt wird. Wird beispielsweise ein erster der Hübe als halber Nadelhub ausgebildet, so wird eine erste Offenstellung 01 eingestellt, in welcher beide Ventilelemente 44 und 46 geöffnet sind, sodass sowohl die Ausspritzöffnung 38 als auch die Ausspritzöffnungen 40 freigegeben werden. Somit wird das Reduktionsmittel über die Ausspritzöffnung 38 und über die Ausspritzöffnungen 40 in das Abgas eingebracht. Durch Bewirken des zweiten Hubs als voller Nadelhub wird eine zweite Offenstellung 02 eingestellt, in welcher die Ausspritzöffnung 38 geschlossen ist, während die Ausspritzöffnungen 40 freigegeben sind. Somit ist lediglich das Ventilelement 44 geöffnet, während das Ventilelement 46 geschlossen ist.
Der Injektor 26 gemäß der dritten Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass das Ventilelement 46 nach außen öffnet. Bei einem SCR-System mit wässriger Harnstofflösung als Reduktionsmittel und mit in Reihe angeordneten Ventilen wie den Ventilelementen 44 und 46 ist eine stromlos offenstehende Düse beziehungsweise ein stromlos offenstehender Injektor 26 besonders vorteilhaft, da ein nach außen öffnendes Ventilelement beim Einfrieren von Reduktionsmittel die Volumenexpansion durch das Öffnen des Ventilelements gegen die Federkraft mechanisch unbeschädigt übersteht.
Eine weitere Möglichkeit ist es, einen mechanischen Anschlag für das Ventilelement 44 durch die jeweilige Spule 52 einzustellen. Dazu kann beispielsweise ein ringförmiges Blech mit passend angeordneten Aussparungen durch Drehen in zwei Positionen angebracht werden, sodass entweder ein großer Nadelhub möglich ist (Der Anschlag der Nadel geht durch die Aussparung) oder das ringförmige Blech ist der Anschlag für den Nadelhub. Das Blech ist hierfür so ausgelegt, dass es an der Stelle der Aussparung beziehungsweise Nadelhubbegrenzung eine Stärke in der Größenordnung von circa 20 bis 300 Mikrometern aufweist.
Um beispielsweise den weiter stromabwärts angeordneten SCR-Katalysator 28 mittels der motornahen Dosiereinrichtung 24 mit Reduktionsmittel zu versorgen, sollte das Spray bei kleinen Mengen des Reduktionsmittels kleine Tröpfchen mit einem Sauterdurchmesser von weniger als 90 Mikrometern, einen weiten Winkel und exakte Kleinstdosiermengen aufweisen. Bei hohen Mengen des Reduktionsmittels sollte das Spray idealerweise große Tröpfchen mit einem Sauterdurchmesser von mehr als 120 Mikrometern, einen engen Strahl (Schnurstrahl) und eine hohe Dosiermenge von zum Beispiel 5 Kilogramm pro Stunde aufweisen.
Eine zusätzliche Maßnahme kann die Regelung des Vordrucks des Reduktionsmittels sein. Bei steigendem Druck in dem zugeführten Reduktionsmittel reduziert sich bei gleichbleibender Düse die Tröpfchengröße im Spray, was in 6 gezeigt ist. In 6 ist mit Z1 ein erster Betriebszustand gezeigt, in welchem ein erster Vordruck des Reduktionsmittels eingestellt ist. Ferner ist in 6 mit Z2 ein zweiter Betriebszustand gezeigt, in welchem ein gegenüber dem ersten Vordruck größerer zweiter Vordruck eingestellt ist. Diese Maßnahme kann zusätzlich eingesetzt werden, um den weiteren SCR-Katalysator 28 mit einer hinreichenden Menge an Reduktionsmittel versorgen zu können. Um motornah ein feineres Spray nutzen zu können, kann der Injektor 26 auch mit einer Ultraschalleinheit ausgerüstet sein, die zuschaltbar ist. So kann je nach Strategie zur Abgasnachbehandlung mit aktiver Ultraschalleinheit ein feines Spray mit guter Verdampfung und gleicher Verteilung motornah wirken. Mit passivem Ultraschall kann der Injektor 26 lokal gezielt überdosieren, um den weiteren SCR-Katalysator 28 mit Reduktionsmittel zu versorgen. In 6 ist mit 70 das Spray bezeichnet, mittels welchem das Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird.
Bezugszeichenliste

10: Abgasanlage
12: Verbrennungskraftmaschine
14: Motorgehäuse
16: Brennräume
18: Leitungselement
20: Pfeil
22: SCR-Katalysator
24: Dosiereinrichtung
26: Injektor
28: weiterer SCR-Katalysator
30: Einrichtung
32: Strömungspfad
34: Gehäuse
36: Kanaleinrichtung
38: Ausspritzöffnung
40: Ausspritzöffnung
42: Spritzlochscheibe
44: Ventilelement
46: Ventilelement
48: Aktor
50: Aktor
52: Spule
54: Feder
56: Spritzlochscheibe
58: Spritzlochscheibe
60: Ventilsitz
62: Ventilsitz
64: Bauelement
66: Bauelement
68: Stift
70: Spray
01: erste Offenstellung
02: zweite Offenstellung
S: Schließstellung
Z: Zugabestelle
Z1: erster Zustand
Z2: zweiter Zustand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004036036 A1 [0002]
DE 10058153 A1 [0004]

Claims

Abgasanlage (10) für eine Verbrennungskraftmaschine (12), mit wenigstens einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren SCR-Katalysator (22), mit einer stromauf des SCR-Katalysators (22) angeordneten Zugabestelle (Z), und mit einer Dosiereinrichtung (24), mittels welcher an der Zugabestelle (Z) ein Reduktionsmittel in das Abgas einbringbar ist, wobei wenigstens ein stromab der Zugabestelle (Z) und stromab des SCR-Katalysators (22) angeordneter weiterer SCR-Katalysator (28) vorgesehen ist, welcher über die Zugabestelle (Z) mittels der den SCR-Katalysatoren (22, 28) gemeinsamen Dosiereinrichtung (24) mit dem Reduktionsmittel versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (24) wenigstens einen Injektor (26) aufweist, mittels welchem das Reduktionsmittel an der Zugabestelle (Z) in das Abgas einbringbar ist, wobei der Injektor (26) aufweist: - ein eine von dem Reduktionsmittel durchströmbare Kanaleinrichtung (36) aufweisendes Gehäuse (34); - wenigstens eine über die Kanaleinrichtung (36) mit dem Reduktionsmittel versorgbare und von dem Reduktionsmittel durchströmbare erste Ausspritzöffnung (38) zum Ausspritzen des Reduktionsmittels aus dem Injektor (26); und - wenigstens eine über die Kanaleinrichtung (36) mit dem Reduktionsmittel versorgbare und von dem Reduktionsmittel durchströmbare zweite Ausspritzöffnung (40) zum Ausspritzen des Reduktionsmittels aus dem Injektor (26).
Abgasanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich von dem ersten SCR-Katalysator (22) durchgehend bis zum weiteren SCR-Katalysator (28) erstreckender und von dem Abgas durchströmbarer Strömungspfad (32) vollständig frei von Zugabestellen ist, an denen das Reduktionsmittel in das Abgas einbringbar ist.
Abgasanlage (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (24) die einzige Dosiereinrichtung (24) zum Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas ist.
Abgasanlage (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (26) aufweist: - wenigstens ein in dem Gehäuse (34) angeordnetes und der ersten Ausspritzöffnung (38) zugeordnetes erstes Ventilelement (44), welches zwischen einer die erste Ausspritzöffnung (38) versperrenden ersten Schließstellung und wenigstens einer die erste Ausspritzöffnung (38) freigebenden ersten Offenstellung relativ zum Gehäuse (34) bewegbar ist; - wenigstens ein in dem Gehäuse (34) angeordnetes und der zweiten Ausspritzöffnung (40) zugeordnetes zweites Ventilelement (46), welches zwischen einer die zweite Ausspritzöffnung (40) versperrenden zweiten Schließstellung und wenigstens einer die zweite Ausspritzöffnung (40) freigebenden zweiten Offenstellung relativ zum Gehäuse (34) bewegbar ist; - einen dem ersten Ventilelement (44) zugeordneten ersten Aktor (48), mittels welchem das erste Ventilelement (44) bewegbar ist; und - einen dem zweiten Ventilelement (46) zugeordneten zweiten Aktor (50), mittels welchem das zweite Ventilelement (46) bewegbar ist.
Abgasanlage (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausspritzöffnungen (38, 40) in ihren jeweiligen, von dem Reduktionsmittel durchströmbaren Strömungsquerschnitten voneinander unterscheiden.
Abgasanlage (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausspritzöffnung (38) durch ein erstes Bauelement (56) und die zweite Ausspritzöffnung (40) durch ein zweites Bauelement (58) des Injektors (26) gebildet ist, wobei die Bauelemente (56, 58) und mit diesen die Ausspritzöffnungen (38, 40) relativ zueinander bewegbar sind.
Abgasanlage (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Bauelemente (56, 58) an dem Gehäuse (34) festgelegt und das andere Bauelement (58, 56) relativ zu dem einen Bauelement (56) und relativ zu dem Gehäuse (34) bewegbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (10) für eine Verbrennungskraftmaschine (12), mit wenigstens einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren SCR-Katalysator (22), mit einer stromauf des SCR-Katalysators (22) angeordneten Zugabestelle (Z), und mit einer Dosiereinrichtung (24), mittels welcher an der Zugabestelle (Z) ein Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, wobei wenigstens ein stromab der Zugabestelle (Z) und stromab des SCR-Katalysators (22) angeordneter weiterer SCR-Katalysator (28) vorgesehen ist, welcher über die Zugabestelle (Z) mittels der den SCR-Katalysatoren (22, 28) gemeinsamen Dosiereinrichtung (24) mit dem Reduktionsmittel versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas ausschließlich stromauf der SCR-Katalysatoren (22, 28) erfolgt.