DE102017207511B4

DE102017207511B4 - Anordnung und Verfahren zur Temperierung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung sowie Fahrzeug mit einer solchen Anordnung

Info

Publication number: DE102017207511B4
Application number: DE102017207511.2A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Hanno Friederichs
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-05-04
Filing date: 2017-05-04
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2037-05-05
Also published as: DE102017207511A1

Abstract

Anordnung (1) mit einem einen Abgasstrom (2) erzeugenden Verbrennungsmotor (3) und einem sich an den Verbrennungsmotor (3) anschließenden Abgassystem (4) zur Aufnahme des Abgasstroms (2), das Abgassystem (4) aufweisend:- eine in einem Gehäuse (5) angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung (6),- eine Einhausung (7) des Gehäuses (5) mit einer inneren Hülle (8) und einer äußeren Hülle (9),- ein Abgaszufuhrrohr (10 zum Zuführen des Abgasstroms (2) zur Abgasnachbehandlungseinrichtung (6),- ein Abgasabfuhrrohr (11) zum Abführen des Abgasstroms (2) von der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6),- eine Verschlusseinrichtung (12) zum Verschließen des Abgasabfuhrrohrs (11), wobei- die innere Hülle (8) zum Gehäuse (5) unter Ausbildung eines inneren Hohlraums (13) beabstandet angeordnet ist,- die äußere Hülle (9) zur inneren Hülle (8) unter Ausbildung eines äußeren Hohlraums (14) beabstandet angeordnet ist,- das Abgasabfuhrrohr (11) Öffnungen (15a, 15b) zur fluiden Verbindung zwischen dem Abgasabfuhrrohr (11) und dem inneren Hohlraum (13) sowie zur fluiden Verbindung zwischen dem Abgasabfuhrrohr (11) und dem äußeren Hohlraum (14) aufweist,- die innere Hülle (8) Öffnungen (15c) zur fluiden Verbindung von innerem Hohlraum (13) und äußerem Hohlraum (14) aufweist und- die Verschlusseinrichtung (12) derart angeordnet ist, dass eine fluide Verbindung zwischen dem inneren Hohlraum (13) und dem äußeren Hohlraum (14) über das Abgasabfuhrrohr (11) unterbrechbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem einen Abgasstrom erzeugenden Verbrennungsmotor und einem sich an den Verbrennungsmotor anschließenden Abgassystem zur Aufnahme des Abgasstroms, ein Fahrzeug mit einer solchen Anordnung sowie ein Verfahren zur Behandlung eines Abgasstroms in einer solchen Anordnung.
Im Abgas von Verbrennungsmotoren befinden sich Schadstoffe, wie z. B. Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid und Stickoxide (NO_x), deren Emission in vielen Ländern gesetzlich geregelt ist. Um die Schadstoffemission durch Abgase zu verringern, werden Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z. B. Katalysatoren, eingesetzt, mit denen die genannten Schadstoffe in ungiftige Stoffe, wie Kohlenstoffdioxid, Wasser und Stickstoff, durch Oxidation oder Reduktion umgewandelt werden können.
Für die Reduzierung von Stickoxidemissionen werden Stickoxidreduktionskatalysatoren eingesetzt, beispielsweise Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator) oder NO_x-Speicherkatalysatoren, auch als lean NO_x trap (LNT-Katalysator), bezeichnet.
Die Funktionsweise eines NO_x-Speicherkatalysators beruht auf einer Zwischenspeicherung der Stickoxide und anschließender periodischer Reduktion, z. B mit unverbrauchtem Kraftstoff, während bei SCR-Katalysatoren Stickoxide kontinuierlich mittels Ammoniak reduziert werden, der beispielsweise aus einer wässrigen Harnstofflösung gewonnen werden kann, die stromaufwärts des SCR-Katalysators dem Abgasstrom zugeführt wird. Eine Spezialform eines SCR-Katalysators stellt ein SDPF-Katalysator dar, der über einen Dieselpartikelfilter (DPF) mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Beschichtung) verfügt. Abgasnachbehandlungseinrichtungen, insbesondere die genannten Katalysatoren, arbeiten üblicherweise nur unter bestimmten Bedingungen optimal, wobei vordergründig die Temperatur von Bedeutung ist. Um gesetzliche Emissionsvorgaben zu erfüllen, sollten Katalysatoren beispielsweise oberhalb der Anspringtemperatur, auch als light-off Temperatur bezeichnet, betrieben werden. Diese Anspringtemperatur gibt diejenige Temperatur beim Erwärmen eines Katalysators an, bei der der betrachteten Schadstoffe, beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Stickoxide oder Kohlenmonoxid, zu 50 % umgesetzt werden, d. h. ein Konvertierungsgrad von 50 % erreicht wird.
Beim Abkühlen des Katalysators wird die Temperatur, bei der der Konvertierungsgrad der betrachteten Schadstoffe auf weniger als 50 % sinkt, als Ausschalttemperatur oder light-out Temperatur bezeichnet. Üblicherweise liegt die light-out Temperatur aufgrund von auftretender Hysterese unterhalb der light-off Temperatur.
Allerdings erfordern Abgasnachbehandlungseinrichtungen nicht nur eine bestimmte Mindesttemperatur, sondern es darf auch eine Maximaltemperatur, z. B. eine Maximaltemperatur von 600 °C, nicht überschritten werden. Anderenfalls kann es beispielsweise zur Beschädigung der Abgasnachbehandlungsanlage oder benachbarter Bauteile kommen. Beispielsweise kann sich die katalytische Aktivität eines Katalysators verschlechtern.
Die Einhaltung dieser Temperaturerfordernisse stellt eine Herausforderung bei der Entwicklung von Abgasnachbehandlungseinrichtung dar. Zum einen sollte die light-off Temperatur nach dem Start des Verbrennungsmotors möglichst schnell erreicht werden, z. B. durch eine geeignete Wärmeisolierung der Abgasnachbehandlungseinrichtung. Zum anderen ist eine Wärmeisolierung bei hohen Temperaturen, z. B. aufgrund einer hohen Motorbelastung wie sie bei einer aggressiven Fahrweise oder bei Fahren mit Anhängelast auftreten kann, nachteilig, da dann überschüssige Wärme nicht schnell genug abgeführt werden kann. Darüber hinaus sollte auch das Unterschreiten der light-out Temperatur, z. B. bei Fahren unter geringer Motorlast, verhindert werden, um eine effektive Abgasnachbehandlung zu ermöglichen.
Zur Verhinderung der Emission von schädlichen Abgaskomponenten insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors schlägt die DE699 18 934 T2 eine Emissionssteuerungsvorrichtung mit einem Katalysator und einem den Katalysator umgehenden Bypassdurchgang vor. In dem Bypassdurchgang befindet sich ein Adsorptionsmittel, welches unverbrannte Gaskomponenten, die in dem Abgas vorhanden sind, absorbiert und ihre Freisetzung in die Atmosphäre verhindert. Mittels einer Durchgangsschaltvorrichtung wird festgelegt, ob das Abgas den Katalysator oder den Bypassdurchgang durchströmt.
DE 11 2011 101 932 T5 offenbart einen ringförmigen Wärmetauscher zum kühlen heißer Gase mit einer inneren Schale, einer Zwischenschale und einer äußeren Schale. In der inneren Schale kann ein Katalysator für die Behandlung von Abgasen angeordnet sein.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit anzugeben, mit der eine möglichst optimale Temperierung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in verschiedenen Anwendungsszenarien erreicht werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche beinhalten Ausführungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösungen.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, eine doppelwandige Einhausung für die in einem Gehäuse angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung vorzusehen. Je nach Bedarf kann diese Einhausung einerseits zur Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtung dienen, um deren Temperatur möglichst schnell erhöhen zu können. Andererseits kann die Einhausung zur Kühlung der Abgasnachbehandlungseinrichtung genutzt werden, falls eine Maximaltemperatur überschritten wird oder zu überschreiten werden droht.
Eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen einen Abgasstrom erzeugenden Verbrennungsmotor, z. B. einen selbstzündenden, beispielsweise einen Dieselmotor, oder fremdgezündeten Verbrennungsmotor, und ein sich an den Verbrennungsmotor anschließendes Abgassystem zur Aufnahme des Abgasstroms. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich um einen Fahrzeugmotor handeln, d. h. einen Motor, der zum Antreiben des Fahrzeugs geeignet ist.
Das Abgassystem weist eine in einem Gehäuse angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung, z. B. einen Katalysator, auf. Das Gehäuse der Abgasnachbehandlungseinrichtung ist durch eine Einhausung des Gehäuses mit einer inneren und einer äußeren Hülle eingehaust. Dabei ist die innere Hülle zum Gehäuse unter Ausbildung eines inneren Hohlraums beabstandet angeordnet und die äußere Hülle ist zur inneren Hülle unter Ausbildung eines äußeren Hohlraums beabstandet angeordnet. Die Einhausung ist also doppelwandig ausgebildet. Die Einhausung kann das Gehäuse teilweise oder vollständig umschließen. Die Einhausung kann beispielsweise quaderförmig ausgebildet sein.
Es können auch mehrere Abgasnachbehandlungseinrichtungen in einem oder mehreren Gehäusen vorhanden sein, die von einer gemeinsamen Einhausung eingehaust sind. Dies kann vorteilhaft sein, falls die optimalen Temperaturen zum Betreiben der mehreren Abgasnachbehandlungseinrichtungen zumindest ähnlich sind, so dass eine gemeinsame Temperierung möglich ist.
Die innere Hülle weist Öffnungen zur fluiden Verbindung von innerem und äußerem Hohlraum auf, so dass ein Fluid, beispielsweise ein Gas wie das Abgas, von dem inneren in den äußeren Hohlraum gelangen kann.
Weiterhin weist das Abgassystem der erfindungsgemäßen Anordnung ein Abgaszufuhrrohr zum Zuführen des Abgasstroms zur Abgasnachbehandlungseinrichtung, z. B. von dem Verbrennungsmotor oder von einer weiteren, stromaufwärts angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung, sowie ein Abgasabfuhrrohr zum Abführen des Abgasstroms von der Abgasnachbehandlungseinrichtung, z. B. an eine weitere, stromabwärts angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung oder die Umgebung, auf. Mit anderen Worten ist das Abgaszufuhrrohr stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung, bezogen auf den Abgasstrom, angeordnet, während sich das Abgasabfuhrrohr stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung befindet.
Damit ein Zuführen bzw. Abführen des Abgasstroms möglich ist, sind das Abgaszufuhrrohr und das Abgasabfuhrrohr durchgehend durch das Gehäuse und die Einhausung angeordnet. Mit anderen Worten sind das Gehäuse und die innere und äußere Hülle der Einhausung durch das Abgaszufuhrrohr und das Abgasabfuhrrohr durchbrochen. Diese Durchbrüche können fluiddicht, z. B. gasdicht, ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß weist das Abgasabfuhrrohr Öffnungen zur fluiden Verbindung zwischen Abgasabfuhrrohr und innerem Hohlraum sowie zur fluiden Verbindung zwischen Abgasabfuhrrohr und äußerem Hohlraum auf. Diese Öffnungen ermöglichen es einem Fluid, z. B. einem Gas wie dem Abgas, vom Abgasabfuhrrohr in den inneren Hohlraum oder umgekehrt sowie vom Abgasabfuhrrohr in den äußeren Hohlraum oder umgekehrt zu gelangen.
Weiterhin weist das Abgassystem eine Verschlusseinrichtung zum teilweisen und/oder vollständigen Verschließen des Abgasabfuhrrohrs, z. B. eine Klappe, auf. Diese Verschlusseinrichtung ist derart angeordnet, dass eine fluide Verbindung zwischen innerem Hohlraum und äußerem Hohlraum über das Abgasabfuhrrohr unterbrechbar ist. Beispielsweise kann die Verschlusseinrichtung auf Höhe der inneren Hülle in dem Abgasabfuhrrohr angeordnet sein.
Befindet sich die Verschlusseinrichtung in einem vollständig geschlossenen Zustand, d. h. verschließt die Verschlusseinrichtung das Abgasabfuhrrohr vollständig, kann ein Fluid von der Abgasnachbehandlungseinrichtung nur über das Abgasabfuhrrohr, die Öffnungen des Abgasabfuhrrohrs zur fluiden Verbindung des Abgasabfuhrrohrs mit dem inneren Hohlraum, den inneren Hohlraum, die Öffnungen der inneren Hülle, den äußeren Hohlraum, die Öffnungen des Abgasabfuhrrohrs zur fluiden Verbindung zwischen Abgasabfuhrrohr und äußerem Hohlraum sowie erneut dem Abgasabfuhrrohr abgeführt werden, während der direkte Strömungsweg im Abgasabfuhrrohr unterbrochen ist.
In einem zumindest teilweise geöffneten Zustand der Verschlusseinrichtung kann der Abgasstrom zusätzlich zu dem bereits beschriebenen Strömungsweg bei vollständig geschlossener Verschlusseinrichtung auch direkt durch das Abgasabfuhrrohr abgeführt werden, d. h. ohne dass der Abgasstrom in den inneren oder äußeren Hohlraum gelangt.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine bedarfsgerechte Temperierung der Abgasnachbehandlungseinrichtung.
Beispielsweise kann in einem Anwendungsszenario eine Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtung nötig sein, beispielsweise, um nach einem Starten des Verbrennungsmotors die light-off Temperatur eines Katalysators möglichst schnell zu erreichen, so dass die katalytische Wirkung möglichst schnell einsetzt und die Schadstoffemission verringert werden kann.
In diesem Anwendungsszenario ist die Temperatur des Abgases im Abgasstrom stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung höher als die Temperatur des der Abgasnachbehandlungseinrichtung selbst. Das Abgasabfuhrrohr ist oder wird mittels der Verschlusseinrichtung ganz oder teilweise verschlossen, so dass zumindest ein Teil des die Abgasnachbehandlungseinrichtung verlassenden Abgasstroms den inneren und den äußeren Hohlraum durchströmen muss, bevor es z. B. an eine weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung oder die Umgebung abgeführt wird.
Dies ermöglicht mittels Wärmeübertragung eine Erwärmung des Gehäuses der Abgasnachbehandlungseinrichtung und auch der Abgasnachbehandlungseinrichtung selbst. Die light-off Temperatur kann daher schneller erreicht werden. Zudem kann die noch im abgeführten Abgas enthaltene Wärmeenergie, welche anderenfalls an die Umgebung abgegeben werden würde, einer sinnvollen Verwendung, nämlich der genannten Erwärmung, zugeführt werden.
In einem weiteren Anwendungsszenario befindet sich der Verbrennungsmotor im Normalbetrieb. Handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen Fahrzeugmotor, schließt dies beispielsweise das Fahren im Stadtverkehr mit geringer Motorbelastung ein.
In diesem weiteren Anwendungsszenario ist die Verschlusseinrichtung in einem vollständig geöffneten Zustand, so dass das Abgasabfuhrrohr nicht verschlossen ist. Dadurch kann ein eventueller Gegendruck des Abgases weitgehend vermieden werden. Der innere und äußere Hohlraum sind fluidgefüllt, z. B. gasgefüllt, wobei keine oder nur eine geringe Strömung des Fluids im inneren oder äußeren Hohlraum auftritt. Entsprechend wirkt die Einhausung als Wärmeisolierung für das Gehäuse und die darin angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung. Ein unerwünschtes Abkühlen der Abgasnachbehandlungseinrichtung, z. B. auf Temperaturen unterhalb der light-out Temperatur, kann vermieden werden.
Aufgrund eines durch das Abgasabfuhrrohr verursachten Venturi-Effekts kann der Druck im inneren und/oder äußeren Hohlraum gegenüber dem Druck im Abgasabfuhrrohr verringert sein. Dies kann zu einer verbesserten Isolationswirkung beitragen. Zudem kann durch die Sogwirkung sichergestellt werden, dass verdampfte Kühlflüssigkeit abgesaugt werden kann und keine Rückstände im Hohlraum zurückbleiben. Dadurch kann beispielsweise vermieden werden, dass die Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, bei kalten Umgebungstemperaturen gefrieren kann.
Mittels der erfindungsgemäßen Anordnung kann also einerseits eine Minimaltemperatur einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, z. B. die light-off Temperatur eines Katalysators, möglichst schnell erreicht werden. Anderseits kann während des Betriebs des Verbrennungsmotors ein Abkühlen der Abgasnachbehandlungseinrichtung unter eine Minimaltemperatur, z. B. die light-out Temperatur eines Katalysators, vermieden werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Abgassystem der Anordnung Mittel zum Einbringen einer Flüssigkeit in den inneren Hohlraum aufweisen. Diese Mittel können beispielsweise als Injektoren oder Düsen ausgebildet sein. Die Mittel zum Einbringen einer Flüssigkeit können beispielsweise an einer stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordneten Seite der inneren Hülle angeordnet sein. Zum Beispiel kann ein Flüssigkeitsfilm auf dem Gehäuse ausgebildet werden.
Das Einbringen der Flüssigkeit ermöglicht eine Verdunstungskühlung des Gehäuses, indem die Flüssigkeit verdunstet und dabei Wärmeenergie, z. B. vom Gehäuse, aufgenommen wird. Als Flüssigkeit kann eine Flüssigkeit eingesetzt werden, die möglichst viel Wärmeenergie bei ihrer Verdunstung aufnimmt. Außerdem sollte die Flüssigkeit ungefährlich sein, z. B. sollte bei der Verdunstung weder ein brennbares noch umweltschädliches Gas entstehen, da das bei der Verdunstung entstehende Gas zusammen mit dem Abgasstrom abgeführt wird. Beispielsweise kann als Flüssigkeit Wasser zum Einsatz kommen. Wasser kann vergleichsweise einfach gesammelt oder bei Bedarf nachgefüllt werden. Es ist zudem eine umweltverträgliche Kühlflüssigkeit.
Die Mittel zum Einbringen einer Flüssigkeit in den inneren Hohlraum können eine Kühlung des Gehäuses und der darin angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung ermöglichen.
Beispielsweise kann in einem weiteren Anwendungsszenario eine Kühlung der Abgasnachbehandlungseinrichtung nötig sein, um eine Maximaltemperatur (Temperaturobergrenze) nicht zu überschreiten. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn sich der Verbrennungsmotor in einem Hochlastbetrieb befindet. Handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen Fahrzeugmotor, kann ein Hochlastbetrieb beispielsweise aus einem Fahren unter hoher Anhängelast oder einem Fahren bei hohen Geschwindigkeiten resultieren.
In diesem weiteren Anwendungsszenario befindet sich die Verschlusseinrichtung in einem vollständig geöffneten Zustand, so dass das Abgasabfuhrrohr nicht verschlossen ist. Zusätzlich sind Mittel zum Einbringen einer Flüssigkeit in den inneren Hohlraum vorhanden, die dazu dienen, Wasser in den inneren Hohlraum einzubringen. Durch die Verdunstung des Wassers kann das Gehäuse und damit die Abgasnachbehandlungseinrichtung gekühlt werden. Ein Überschreiten einer Maximaltemperatur und eine möglicherweise damit einhergehende verringerte Effizienz der Abgasnachbehandlungseinrichtung, z. B. eine verringerte katalytische Aktivität eines Katalysators, oder eine thermische Schädigung der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder angrenzender Bauteile können vermieden werden.
In weiteren Ausführungsvarianten sind die Öffnungen der inneren Hülle zur fluiden Verbindung des innerem und des äußeren Hohlraums auf einer stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordneten Seite der inneren Hülle, d. h. der dem Abgasabfuhrrohr abgewandten Seite, angeordnet.
Dadurch kann erreicht werden, dass der Abgasstrom bei geschlossener Verschlusseinrichtung nahezu den kompletten inneren Hohlraum durchströmen muss, bevor er in den äußeren Hohlraum gelangen kann. Dies kann die Übertragung einer besonders hohen Wärmemenge zwischen dem Gehäuse und einem im inneren Hohlraum strömenden Abgasstrom ermöglichen, so dass z. B. eine Erwärmung des Gehäuses und der Abgasnachbehandlungseinrichtung schnell erfolgen können.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Abgassystem der Anordnung weiterhin Temperatursensoren zur Ermittlung der Temperatur des Abgases des Abgasstroms stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung und/oder stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung und/oder der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung aufweisen. Beispielsweise können Temperatursensoren im Abgaszufuhrrohr, im Abgasabfuhrrohr und/oder in der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet sein.
Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, die Temperatur stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung mittels eines Modells abzuschätzen, wobei für das Modell z. B. die Temperatur stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung sowie der Abgastemperaturverlust, z. B. in Abhängigkeit der konkreten Abgasnachbehandlungseinrichtung und deren Material, genutzt werden können. Dadurch kann ein zumeist aus anderen Gründen vorhandener Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung genutzt werden, während auf einen Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung ggf. verzichtet werden kann.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Abgassystem der Anordnung weiterhin eine Steuereinheit ausgebildet zur Steuerung der Verschlusseinrichtung und/oder der Mittel zum Einbringen einer Flüssigkeit in den inneren Hohlraum in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturen aufweisen. Mit anderen Worten kann die Verschlusseinrichtung in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturen geöffnet oder geschlossen sein oder werden und/oder es kann eine Flüssigkeit mittels der Mittel zum Einbringen einer Flüssigkeit in den inneren Hohlraum in den inneren Hohlraum eingebracht werden.
Die kann eine Erwärmung, Isolierung oder Kühlung der Abgasnachbehandlungseinrichtung in Abhängigkeit der Temperaturen des Abgases des Abgasstroms und der Abgasnachbehandlungseinrichtung ermöglichen. Beispielsweise kann das Vorliegen eines der vorstehend beschriebenen Anwendungsszenarien ermittelt werden.
Beispielsweise kann, falls die Temperatur des Abgases stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung höher als die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung ist, das Abgasabfuhrrohr mittels der Verschlusseinrichtung verschlossen sein oder werden.
Liegt die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung über einer Minimaltemperatur (Temperaturuntergrenze), z. B. der light-off Temperatur, kann das Abgasabfuhrrohr geöffnet sein oder werden.
Übersteigt die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung eine Maximaltemperatur, z. B. eine Temperatur, bei deren Übersteigen die Effizienz der Abgasnachbehandlungseinrichtung sinkt, kann das Abgasabfuhrrohr ebenfalls geöffnet sein oder werden. Zusätzlich kann eine Flüssigkeit zum Abführen von Wärmeenergie mittels Verdunstung in den inneren Hohlraum eingebracht werden.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung als SCR-Katalysator, LNT-Katalysator oder SDPF-Katalysator ausgebildet sein. Derartige Katalysatoren entfalten ihre katalytische Wirkung, wie einführend beschrieben, nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs, insbesondere oberhalb ihrer light-off Temperatur, so dass eine bedarfsgerechte Temperierung besonders wichtig ist.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weist eine der vorstehend beschriebenen Anordnungen auf. Beispielsweise kann es sich bei dem Fahrzeug um einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen handeln.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Behandlung eines von einem Verbrennungsmotor erzeugten Abgasstroms in einer der vorstehend beschriebenen Anordnungen weist Folgendes auf: Erzeugen des Abgasstroms in dem Verbrennungsmotor, Zuführen des Abgasstroms zu der in dem Gehäuse angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung, Behandeln des Abgasstroms in der Abgasnachbehandlungseinrichtung, Abführen des Abgasstroms aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung, Ermitteln der Temperaturen des Abgases des Abgasstroms stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung und der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung, Vergleichen der ermittelten Temperatur des Abgases des Abgasstroms stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung mit der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung, Vergleichen der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einer vorgegebenen Minimaltemperatur, indirektes Abführen des Abgasstroms unter Erwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtung mittels des abgeführten Abgasstroms, falls die Temperatur des Abgases des Abgasstroms stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung höher als die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung ist und die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung geringer als die vorgegebene Minimaltemperatur ist, direktes Abführen des Abgasstroms, falls die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung höher als die vorgegebene Minimaltemperatur ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren weiterhin ein Vergleichen der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einer vorgegebenen Maximaltemperatur und ein Einbringen einer Flüssigkeit den das Gehäuse zumindest teilweise umschließenden inneren Hohlraum, falls die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung höher als die vorgegebene Maximaltemperatur ist, aufweisen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen denen der erfindungsgemäßen Anordnung und deren entsprechender Ausführungsvarianten.
Zusammengefasst ergeben sich unter anderem folgende Vorteile für die Erfindung. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung kann nach dem Starten schnell erwärmt werden, d. h. im Falle eines Katalysators wird die light-off Temperatur schneller erreicht, indem die im Abgas enthaltene Wärmeenergie genutzt wird und die Abgasnachbehandlungseinrichtung mittels der Einhausung und der darin gebildeten Hohlräume wärmeisoliert ist. Das Risiko des Absinkens der Temperatur unter eine Minimaltemperatur, d. h. im Falle eines Katalysators unter die light-out Temperatur, während einer geringen Motorbelastung kann aufgrund der Wärmeisolierung durch die Einhausung mit innerem und äußerem Hohlraum verringert werden. Zu hohe Temperaturen der Abgasnachbehandlungseinrichtung und ein damit einhergehender Aktivitätsverlust können durch eine Verdunstungskühlung der Abgasnachbehandlungseinrichtung vermieden werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit geschlossener Verschlusseinrichtung,
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit geöffneter Verschlusseinrichtung,
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit geöffneter Verschlusseinrichtung und mit Mitteln zum Einbringen einer Flüssigkeit.

In den im Folgenden erläuterten Beispielen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Beispiele bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann.
Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Eine erfindungsgemäße Anordnung 1 weist in der Ausführungsform gemäß der Darstellung von 1 einen Verbrennungsmotor 3 auf. Der Verbrennungsmotor 3 erzeugt einen Abgasstrom 2, der in allen Figuren mittels Pfeilen dargestellt ist.
An den Verbrennungsmotor 3 schließt sich ein Abgassystem 4 zur Aufnahme des von dem Verbrennungsmotor 3 erzeugten Abgasstroms 2 an. Das Abgassystem 4 weist im Ausführungsbeispiel eine in einem Gehäuse 5 angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 auf, bei der es sich in allen Ausführungsbeispielen z. b. um einen SCR-Katalysator, einen LNT-Katalysator oder einen SDPF-Katalysator handeln kann.
Das Gehäuse 5 einschließend ist eine Einhausung 7 angeordnet, die eine innere Hülle 8 und eine äußere Hülle 9 aufweist. Die Hüllen (8, 9) sind bezüglich des Gehäuses 5 und zueinander so angeordnet, dass sich ein innerer Hohlraum 13 und ein äußerer Hohlraum 14 ergeben. Die innere Hülle 8 weist Öffnungen 15c zur fluiden Verbindung von innerem Hohlraum und äußerem Hohlraum 14 auf. Diese Öffnungen 15c sind auf der stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 angeordneten Seite der inneren Hülle 8, d. h. auf der dem Abgasabfuhrrohr 11 gegenüberliegenden Seite, angeordnet.
Des Weiteren weist das Abgassystem 4 ein Abgaszufuhrrohr 10 zum Zuführen des Abgasstroms 2 vom Verbrennungsmotor 3 zur Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 sowie ein Abgasabfuhrrohr 11 zum Abführen des Abgasstroms 2 von der Abgasnachbehandlungsanlage 6 an die Umgebung auf. Optional kann stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 eine weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet sein.
Das Abgasabfuhrrohr 11 weist Öffnungen 15a zur fluiden Verbindung zwischen dem Abgasabfuhrrohr 11 und dem inneren Hohlraum 13 sowie Öffnungen 15b zur fluiden Verbindung zwischen dem Abgasabfuhrrohr 11 und dem äußeren Hohlraum 14 auf.
Weiterhin verfügt das Abgassystem über eine Verschlusseinrichtung 12 zum Verschließen des Abgasabfuhrrohrs 11 auf Höhe der inneren Hülle 8 der Einhausung 7. In der Darstellung gemäß 1 befindet sich die Verschlusseinrichtung 12 in einem geschlossenen Zustand, d. h. sie verschließt das Abgasabfuhrrohr 11 vollständig, so dass die fluide Verbindung zwischen dem inneren Hohlraum 13 und dem äußeren Hohlraum 14 über das Abgasabfuhrrohr 11 unterbrochen ist. Der Abgasstrom 2 kann daher nicht auf direktem Weg von der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 abgeführt werden, sondern der Abgasstrom 2 durchströmt die Öffnungen 15a, den inneren Hohlraum 13, die Öffnungen 15c, den äußeren Hohlraum 14 und die Öffnungen 15b, bevor er wieder in das Abgasabfuhrrohr 11 gelangt und nach außen abgeführt werden kann.
Diese Konfiguration der beispielhaften erfindungsgemäßen Anordnung 1 ist vorteilhaft, sofern die Temperatur des Abgases im Abgasstrom 2 stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 höher als die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 ist und die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 geringer als eine vorgegebene Minimaltemperatur ist. Bei der Minimaltemperatur handelt es sich im Ausführungsbeispiel um die light-off Temperatur des SCR-, LNT- oder SDPF-Katalysators.
Durch den Abgasstrom 2 kann das Gehäuse 5 und damit auch die Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 erwärmt werden, sodass die light-off Temperatur schneller erreicht und die Schadstoffemission gesenkt wird.
Zur Bestimmung der Temperatur des Abgases im Abgasstrom 2 stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 und der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 sind Temperatursensoren vorgesehen, die in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 und im Abgasabfuhrrohr angeordnet sind (nicht dargestellt).
Zudem weist die Anordnung 1 des Ausführungsbeispiels eine Steuereinheit (nicht dargestellt) ausgebildet zur Steuerung der Verschlusseinrichtung 12 in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturen auf. Mit anderen Worten kann die Verschlusseinrichtung 12 temperaturabhängig geöffnet oder geschlossen werden.
Die Darstellung gemäß 2 zeigt die gleiche Anordnung 1, wobei sich jedoch im Unterschied zur Darstellung gemäß 1 die Verschlusseinrichtung 12 in einem geöffneten Zustand befindet, d. h. sie verschließt das Abgasabfuhrrohr 11 nicht, so dass eine fluide Verbindung zwischen dem inneren Hohlraum 13 und dem äußeren Hohlraum 14 über das Abgasabfuhrrohr 11 besteht. Der Abgasstrom 2 kann daher auf direktem Weg von der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 mittels des Abgasabfuhrrohrs 11 an die Umgebung abgeführt werden.
Diese Konfiguration der beispielhaften erfindungsgemäßen Anordnung 1 ist vorteilhaft, sofern die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 höher als die Minimaltemperatur ist. Ein zusätzliches Erwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 ist daher nicht notwendig.
Der gasgefüllte innere Hohlraum 14 und der gasgefüllte äußere Hohlraum 14 dienen nunmehr der Wärmeisolierung des Gehäuses 5 und damit der Aufrechterhaltung einer Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 oberhalb der Minimaltemperatur. Das Unterschreiten der light-out Temperatur der Katalysatoren des Ausführungsbeispiels kann daher vermieden werden.
Die Darstellung der 3 zeigt eine weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung 1, wobei im Vergleich zum Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 zusätzlich Mittel zum Einbringen einer Flüssigkeit 16, im Beispiel zum Einbringen von Wasser, in den inneren Hohlraum 13 vorhanden sind, die im diesem Ausführungsbeispiel als Injektoren ausgebildet sind.
Gleichzeitig ist die Verschlusseinrichtung 12 wie in der Darstellung gemäß 2 geöffnet, so dass auf die diesbezüglichen Erläuterungen verwiesen wird.
Mittels dieser Injektoren kann Wasser dem inneren Hohlraum 13 zugeführt werden, welches im inneren Hohlraum 13 unter Aufnahme von Wärmenergie verdunsten kann, so dass das Gehäuse 5 und die darin angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 gekühlt werden können.
Diese Konfiguration der Anordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft, sofern die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 höher als die Minimaltemperatur und sogar höher als eine Maximaltemperatur ist. Bei der Maximaltemperatur kann es sich beispielsweise um die Temperatur handeln, bei der die katalytische Aktivität des SCR-, LNT- oder SDPF-Katalysators wieder abnimmt oder eine Beschädigung droht. Alternativ kann die Maximaltemperatur etwas darunter liegen, um einer drohenden Überhitzung rechtzeitig entgegenwirken zu können.
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit weiterhin zur Steuerung der Mittel zum Einbringen einer Flüssigkeit 16 in den inneren Hohlraum 13 in Abhängigkeit der mittels eines Temperatursensor ermittelten Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 ausgebildet. Übersteigt die ermittelte Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 die Maximaltemperatur, wird Wasser dem inneren Hohlraum 13 zugeführt, anderenfalls nicht.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Abgasstrom
3: Verbrennungsmotor
4: Abgassystem
5: Gehäuse
6: Abgasnachbehandlungseinrichtung
7: Einhausung
8: innere Hülle
9: äußere Hülle
10: Abgaszufuhrrohr
11: Abgasabfuhrrohr
12: Verschlusseinrichtung
13: innerer Hohlraum
14: äußerer Hohlraum
15a, b, c: Öffnungen
16: Mittel zum Einbringen einer Flüssigkeit

Claims

Anordnung (1) mit einem einen Abgasstrom (2) erzeugenden Verbrennungsmotor (3) und einem sich an den Verbrennungsmotor (3) anschließenden Abgassystem (4) zur Aufnahme des Abgasstroms (2), das Abgassystem (4) aufweisend: - eine in einem Gehäuse (5) angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung (6), - eine Einhausung (7) des Gehäuses (5) mit einer inneren Hülle (8) und einer äußeren Hülle (9), - ein Abgaszufuhrrohr (10 zum Zuführen des Abgasstroms (2) zur Abgasnachbehandlungseinrichtung (6), - ein Abgasabfuhrrohr (11) zum Abführen des Abgasstroms (2) von der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6), - eine Verschlusseinrichtung (12) zum Verschließen des Abgasabfuhrrohrs (11), wobei - die innere Hülle (8) zum Gehäuse (5) unter Ausbildung eines inneren Hohlraums (13) beabstandet angeordnet ist, - die äußere Hülle (9) zur inneren Hülle (8) unter Ausbildung eines äußeren Hohlraums (14) beabstandet angeordnet ist, - das Abgasabfuhrrohr (11) Öffnungen (15a, 15b) zur fluiden Verbindung zwischen dem Abgasabfuhrrohr (11) und dem inneren Hohlraum (13) sowie zur fluiden Verbindung zwischen dem Abgasabfuhrrohr (11) und dem äußeren Hohlraum (14) aufweist, - die innere Hülle (8) Öffnungen (15c) zur fluiden Verbindung von innerem Hohlraum (13) und äußerem Hohlraum (14) aufweist und - die Verschlusseinrichtung (12) derart angeordnet ist, dass eine fluide Verbindung zwischen dem inneren Hohlraum (13) und dem äußeren Hohlraum (14) über das Abgasabfuhrrohr (11) unterbrechbar ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, das Abgassystem (4) weiterhin aufweisend: - Mittel zum Einbringen einer Flüssigkeit (16) in den inneren Hohlraum (13).
Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Öffnungen (15c) der inneren Hülle (8) zur fluiden Verbindung des inneren Hohlraums (13) und des äußeren Hohlraums (14) auf einer stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) angeordneten Seite der inneren Hülle (8) angeordnet sind.
Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das Abgassystem (4) weiterhin aufweisend: - Temperatursensoren zur Ermittlung der Temperatur des Abgases im Abgasstrom (2) stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) und/oder stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) und/oder der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6).
Anordnung (1) nach Anspruch 4, das Abgassystem (4) weiterhin aufweisend: - eine Steuereinheit ausgebildet zur Steuerung der Verschlusseinrichtung (12) und/oder der Mittel zum Einbringen einer Flüssigkeit (16) in den inneren Hohlraum (13) in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturen.
Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) als SCR-Katalysator, LNT-Katalysator oder SDPF-Katalysator ausgebildet ist.
Fahrzeug mit einer Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren zur Behandlung eines von einem Verbrennungsmotor (3) erzeugten Abgasstroms (2) in einer Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend: - Erzeugen des Abgasstroms (2) in dem Verbrennungsmotor (3), - Zuführen des Abgasstroms (2) zu der in dem Gehäuse (5) angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung (6), - Behandeln des Abgasstroms (2) in der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6), - Abführen des Abgasstroms (2) aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6), - Ermitteln der Temperaturen des Abgases des Abgasstroms (2) stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) und der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6), - Vergleichen der ermittelten Temperatur des Abgases des Abgasstroms (2) stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) mit der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6), - Vergleichen der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) mit einer vorgegebenen Minimaltemperatur, - indirektes Abführen des Abgasstroms (2) unter Erwärmen der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) mittels des abgeführten Abgasstroms (2), falls die Temperatur des Abgases des Abgasstroms (2) stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) höher als die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) ist und die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) geringer als die vorgegebene Minimaltemperatur ist, - direktes Abführen des Abgasstroms (2), falls die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) höher als die vorgegebene Minimaltemperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin aufweisend: - Vergleichen der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) mit einer vorgegebenen Maximaltemperatur und - Einbringen einer Flüssigkeit in den das Gehäuse (5) umschließenden inneren Hohlraum (13), falls die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) höher als die vorgegebene Maximaltemperatur ist.