DE102018203325A1 - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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Petar Kis
Wolfgang Heusser
Bernard Martinovic
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, wobei in der Abgasanlage zumindest eine erste und eine zweite Abgasreinigungsvorrichtung angeordnet sind, wobei die erste Abgasreinigungsvorrichtung in Strömungsrichtung eines Abgases vor der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung angeordnet und beide Abgasreinigungsvorrichtungen von dem Abgas durchströmbar sind und die zweite Abgasreinigungsanlage von dem Abgas umströmbar ist, wobei die erste Abgasreinigungsvorrichtung in Strömungsrichtung des Abgases einen Durchbruch für das Abgas aufweist, der über einen Abgastrichter Abgas führend mit einem Strömungsquerschnitt der zweiten Abgasreinigungsanlage verbunden ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abgasanlage kann der wirksame Strömungsquerschnitt der der ersten und der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung bei gleichem Bauvolumen vergrößert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Grundsätzlich entstehen Partikel, insbesondere Russpartikel im Brennraum einer Brennkraftmaschine bei einer unvollständigen Verbrennung und/oder bei einer mangelhaften Kraftstoff-Luft-Gemischaufbereitung. Dabei ist eine der Hauptursachen die unzureichende Kraftstoffzerstäubung insbesondere bei direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschinen und in Folge derer die Benetzung der Brennraumwände mit Kraftstoff, bzw. eine Kraftstoff-Tropfenbildung an kalten Brennraumwänden.
  • Die Reduzierung der Emissionen von ultrafeinen Partikeln in dem Abgas aus direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschinen ist vor allem hinsichtlich der negativen Gesundheitsauswirkungen relevant. Als ultrafeine Partikel werden Partikel mit einer Größe kleiner 0,1 nm (Nanopartikel) bezeichnet. Partikel dieser Größe sind Alveolengängig und können die Lungenfunktion extrem beeinträchtigen, das Herz-Kreislauf-System schwächen und führen somit zu einer starken Einschränkung der körperlichen Leistungsfähigkeit.
  • Aus diesem Grund werden voraussichtlich in Zukunft neben DieselBrennkraftmaschinen auch direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschinen mit Partikelfiltern ausgerüstet werden, um gesundheitliche Beeinträchtigungen des menschlichen Körpers zu vermeiden.
  • So ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2009 058 698 A1 eine Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Zuführungssystem für die Verbrennungsluft und einer Abgasanlage, wobei die Abgasanlage mindestens eine Abgasleitung aufweist, in der ein erster Partikelfilter angeordnet und ein zweiter Partikelfilter nachgeschaltet ist. Hierbei ist vorgesehen, dass dem zweiten Partikelfilter ein Differenzdrucksensor zugeordnet ist, um den Differenzdruck zwischen einem Ort stromauf und einem Ort stromab des zweiten Partikelfilters zu ermitteln. Mit dieser Anordnung wird die Aufgabe gelöst, eine Brennkraftmaschine darzustellen, bei der mit Hilfe eines zugehörigen Verfahrens die Effizienz eines Rußpartikelfilters ermittelbar ist.
  • Zum technischen Umfeld wird weiter auf die Europäische Patentschrift EP 2 710 239 B1 hingewiesen. Aus dieser ist eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor bekannt, mit einem Abgasweg, der zwei parallele Abgasleitungen aufweist, eine Hauptleitung sowie eine Nebenleitung, welche in eine gemeinsame Abgasleitung münden. In einer Nebenleitung ist ein Absorber zur reversiblen Resorption unverbrannter Kohlenwasserstoffe (HC) und/oder von Stickoxiden (NOx) angeordnet, mit einem Stellmittel zur selektiven Leitung eines Abgasstroms in der Hauptleitung und/oder in den Nebenleitungen und mit einem, stromab der parallelen Abgasleitungen in der gemeinsamen Abgasleitung angeordneten Hauptkatalysator, wobei stromauf des Absorbers ein abgasstromführendes, gasdurchlässiges Element mit rohrförmiger Gestalt, deren stromabwärtiges Ende an eine Eintrittsöffnung der innenliegenden der parallelen Abgasleitungen ohne Innenrohr, das den Absorber trägt und die parallelen Abgasleitungen trennt, anschließt und mit einer Mehrzahl von Durchgangsöffnungen für jeden Abgasstrom angeordnet ist, welches das stromaufwärtige Ende der Nebenleitung von den übrigen abgasstromführenden Bereichen trennt.
  • Weiter ist aus der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 203 369 A1 eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Abgasrohr mit einer ersten Längsachse, das abgasführend mit zumindest einem Abgasauslass der Brennkraftmaschine verbunden ist. In dem Abgasrohr ist eine erste Abgasreinigungsanlage mit einer zweiten Längsachse angeordnet, die weitgehend parallel zu der zweiten Längsachse von dem Abgas durchströmbar ist. Die zweite Längsachse der ersten Abgasreinigungsanlage ist unter einem Winkel zwischen 60° und 120° zur ersten Längsachse des Abgasrohrs angeordnet.
  • Weiter ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 103 29 436 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ein Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt, mit einem ersten von Abgas durchströmbaren Abgasreinigungselement und einem dem ersten Abgasreinigungselement strömungsmäßig parallel geschalteten, zweiten von Abgas durchströmbaren Abgasreinigungselement sowie ein Verfahren zur Reinigung eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine bekannt. Erfindungsgemäß ist in dem Abgasreinigungssystem das zweite Abgasreinigungselement räumlich derart hinter dem ersten Abgasreinigungselement angeordnet, dass eine senkrechte Projektion der Gasaustrittsfläche des ersten Abgasreinigungselements die Gaseintrittsfläche des zweiten Abgasreinigungselements wenigstens teilweise überdeckt.
  • Aufgrund künftiger Gesetzgebung wird der Einsatz von Ottopartikelfiltern (OPF) erforderlich. Dadurch steigt der Abgasgegendruck, womit das Leistungspotenzial der Brennkraftmaschine sinkt. Optimierungsziel ist daher die Maximierung der OPF-Querschnittsfläche zur Minimierung des Abgasgegendrucks, unter Berücksichtigung des verfügbaren Bauraums im Kraftfahrzeug. Eine Möglichkeit der Erhöhung des effektiven OPF-Querschnitts ist die hintereinander angeordnete Parallelschaltung (Kaskadierung). Dabei werden Bypassrohre seitlich an den OPFs vorbeigeführt, um den jeweils anderen OPF anzubinden.
  • Diese Kaskadierung hat folgende Nachteile:
    • - Die Bypassführung verbraucht wertvollen OPF-Querschnitt;
    • - Die Abgasmassenströme sind nur durch Reduktion der Querschnittsflächen im OPF oder Bypass einstellbar;
    • - Bei Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader/Katalysator sind kaskadierte OPFs nur als ein gesamtes Bauteil regelbar, was applikative Nachteile hat;
    • - Die erforderliche Rußgeneration erfordert Sauerstoffüberschuss und eine hinreichend hohe Zelltemperatur für die Verbrennung des Rußes. Der Bypass zum hinteren OPF begünstigt jedoch den Wärmeverlust, so dass der zweite OPF stets kälter als der erste OPF ist, was eine ungleichmäßige Regeneration zur Folge hat. Zwecks Bauteilschutz muss von maximaler Rußbeladung in einem der OPFs ausgegangen werden, so dass öfters aktiv regeneriert und/oder die Leistung der Brennkraftmaschine früher reduziert werden muss.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, oben genannte Nachteile zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß erfolgt der Bypass-Abgasmassenstrom des zweiten OPF nicht seitlich am ersten OPF vorbei, sondern durch den ersten OPF hindurch.
  • In vorteilhafter Weise erfolgt keine Verschwendung von für die Abgasreinigung wertvollen Querschnittsflächen, da die OPF Wand gleichzeitig die Bypasswand ist. Die Temperaturen des ersten und des zweiten OPF sind praktisch identisch, da kein Wärmeübergang nach außen erfolgt. Der Bypass-Abgasmassenstrom des zweiten OPF liegt innerhalb des ersten OPF und dessen Austrittsströmung. Damit ist die Regelung als gesamthaftes Bauteil zulässig, ohne dass eine Worst-Case-Betrachtung erfolgen muss.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • So können gemäß den Patentansprüchen 2 und 3 die erste und/oder die zweite Abgasreinigungsvorrichtung einen runden oder einen unrunden Querschnitt aufweisen und somit dem Package angepasst werden.
  • Um thermischen Beschädigungen entgegen zu wirken ist der Abgastrichter gemäß Patentanspruch 4 in dem Durchbruch in einem Schiebesitz gelagert.
  • Eine weitere Verbesserung wird gemäß Patentanspruch 5 dadurch erzielt, dass in dem Durchbruch ein Abgasrohr angeordnet ist und zwischen dem Abgasrohr und der ersten Abgasreinigungsvorrichtung eine faserige Dichtung angeordnet ist.
  • Bevorzugt sind die erste Abgasreinigungsvorrichtung und die zweite Abgasreinigungsvorrichtung gemäß den Patentansprüchen 6 und 7 ein Partikelfilter oder ein Partikelfilter kombiniert mit einem 3-Wege-Katalysator oder ein Partikelfilter kombiniert mit einem NSC-Katalysator oder ein Partikelfilter kombiniert mit einem NOx-Speicherkatalysator.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand von vier Figuren näher erläutert.
    • 1 zeigt eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Abgasanlage.
    • 2 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die erfindungsgemäße Abgasanlage.
    • 3 zeigt einen horizontalen Schnitt durch die erfindungsgemäße Abgasanlage.
    • 4 zeigt nochmals einen vertikalen Schnitt durch die erfindungsgemäße Abgasanlage.
  • Im Folgenden gelten in 1 bis 4 für gleiche Bauteile die gleichen Bezugsziffern.
  • 1 zeigt eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Abgasanlage 1. Ein von einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine kommendes Abgasrohr 10 mündet in ein erstes Canning 9. Die Strömungsrichtung des Abgases ist durch einen Pfeil auf dem ersten Canning 9 dargestellt. In Strömungsrichtung des Abgases mündet das erste Canning 9 in ein zweites Canning 8, und anschließend verlässt das Abgas durch zwei Abgasrohre 10 die Abgasreinigungsvorrichtung. Die erste Abgasreinigungsvorrichtung 2 in dem ersten Canning 9 und die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 3 ist in dem zweiten Canning 8 angeordnet. Statt der zwei Abgasrohre 10 kann auch nur ein einziges Abgasrohr 10 vorgesehen sein.
  • 2 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die erfindungsgemäße Abgasanlage 1. Der vertikale Schnitt durch die erfindungsgemäße Abgasanlage 1 zeigt, wie die erste Abgasreinigungsvorrichtung 2 in dem ersten Canning 9 die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 3 in dem zweiten Canning 8 angeordnet ist. Eine Strömungsrichtung des Abgases ist wieder durch Pfeile symbolisch dargestellt. Die erste Abgasreinigungsvorrichtung 2 ist, wie bereits ausgeführt, in Strömungsrichtung des Abgases vor der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung 3 angeordnet. Beide Abgasreinigungsvorrichtungen 2, 3 sind von dem Abgas durchströmbar, wobei die zweite Abgasreinigungsanlage 3 von dem Abgas umströmbar ist. Dies ist in 3 dargestellt.
  • Erfindungsgemäß weist die erste Abgasreinigungsvorrichtung 2 in Strömungsrichtung des Abgases einen Durchbruch 4 für das Abgas auf. Dieser Durchbruch 4 ist über einen Abgastrichter 5 abgasführend mit einem Strömungsquerschnitt der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung 3 verbunden. Die erste und die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 2, 3 weisen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen runden Querschnitt auf. In einer anderen Ausführungsform können die erste und/oder die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 2, 3 auch einen unrunden Querschnitt, wie beispielsweise ein Oval, aufweisen.
  • Bevorzugt ist der Abgastrichter 5 in dem Durchbruch in einem Schiebesitz gelagert, was thermischen Defekten entgegenwirkt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in dem Durchbruch 4 ein Abgasrohr 6 angeordnet, wobei zwischen dem Abgasrohr 6 und der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 2 eine faserige Dichtung 7 angeordnet ist.
  • Die erste und die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 2, 3 sind darüber hinaus in dem ersten Canning 9 und dem zweiten Canning 8 innerhalb einer Isolation 11 gelagert. Dies verhindert vor allem Wärmeverluste.
  • Bei der ersten und der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung 2, 3 handelt es sich bevorzugt um einen Partikelfilter, insbesondere einen Ottopartikelfilter (OPF) oder ein Partikelfilter und zusätzlich einen 3-Wege-Kat oder ein Partikelfilter und zusätzlich einen NSC-Katalysator oder ein Partikelfilter und zusätzlich einen NOx-Speicherkatalysator.
  • 3 zeigt einen horizontalen Schnitt durch erfindungsgemäße Abgasanlage 1. Das Abgas kommt wieder von der nicht dargestellten Brennkraftmaschine durch das Abgasrohr 10 und strömt durch die erste Abgasreinigungsvorrichtung 2 sowie durch das in dem Durchbruch 4 angeordnete Abgasrohr 6 weiter in den Abgastrichter 5 und durch die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 3. Parallel dazu strömt das Abgas durch die erste Abgasreinigungsvorrichtung 2 und die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 3 herum in die zwei nicht dargestellten Abgasrohre 10. Deutlich erkennbar ist auch die Isolation 11 radial außen um die erste Abgasreinigungsvorrichtung 2 und die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 3.
  • 4 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die dreidimensional dargestellte, erfindungsgemäße Abgasanlage 1. In 4 sind wiederum das erste Canning 9 und das zweite Canning 8 erkennbar, in denen die erste Abgasreinigungsvorrichtung 2 und die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 3 angeordnet sind. Das Abgas strömt wiederum von links sowohl durch die erste Abgasreinigungsanlage 2 als auch durch das in dem Durchbruch 4 angeordnete Abgasrohr 6, welches mit einer faserigen Dichtung 7 in der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 2 angeordnet ist. Nach dem Abgasrohr 6 strömt das Abgas wiederum durch den Abgastrichter 5 in die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 3. Die erste Abgasreinigungsvorrichtung 2 und die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 3 sind wieder in einer Isolation in dem ersten Canning 9 und dem zweiten Canning 8 gelagert.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abgasanlage 1 kann der wirksame Strömungsquerschnitt der der ersten und der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung 2, 3 bei gleichem Bauvolumen vergrößert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Abgasanlage
    2.
    erste Abgasreinigungsvorrichtung
    3.
    zweite Abgasreinigungsvorrichtung
    4.
    Durchbruch
    5.
    Abgastrichter
    6.
    Abgasrohr
    7.
    faserige Dichtung
    8.
    zweites Canning
    9.
    erstes Canning
    10.
    Abgasrohr
    11.
    Isolation
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009058698 A1 [0005]
    • EP 2710239 B1 [0006]
    • DE 102016203369 A1 [0007]
    • DE 10329436 A1 [0008]

Claims (7)

  1. Abgasanlage (1) für eine Brennkraftmaschine, wobei in der Abgasanlage (1) zumindest eine erste und eine zweite Abgasreinigungsvorrichtung (2, 3) angeordnet sind, wobei die erste Abgasreinigungsvorrichtung (2) in Strömungsrichtung eines Abgases vor der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung (3) angeordnet und beide Abgasreinigungsvorrichtungen (2, 3) von dem Abgas durchströmbar sind und die zweite Abgasreinigungsanlage (3) von dem Abgas umströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasreinigungsvorrichtung (2) in Strömungsrichtung des Abgases einen Durchbruch (4) für das Abgas aufweist, der über einen Abgastrichter (5) Abgas führend mit einem Strömungsquerschnitt der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung (3) verbunden ist.
  2. Abgasanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Abgasreinigungsvorrichtung (2, 3) einen runden Querschnitt aufweist.
  3. Abgasanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Abgasreinigungsvorrichtung (2, 3) einen unrunden Querschnitt aufweist.
  4. Abgasanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgastrichter (5) in dem Durchbruch (4) in einem Schiebsitz gelagert ist.
  5. Abgasanlage nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Durchbruch (4) ein Abgasrohr (6) angeordnet ist und zwischen dem Abgasrohr (6) und der ersten Abgasreinigungsvorrichtung (2) eine faserige Dichtung (7) angeordnet ist.
  6. Abgasanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasreinigungsvorrichtung (2) ein Partikelfilter oder ein Partikelfilter und zusätzlich ein 3-Wege-Kat oder ein Partikelfilter und zusätzlich ein NSC-Katalysator oder ein Partikelfilter und zusätzlich ein NOx-Speicherkatalysator ist.
  7. Abgasanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasreinigungsvorrichtung (3) ein Partikelfilter oder ein Partikelfilter und zusätzlich ein 3-Wege-Kat oder ein Partikelfilter und zusätzlich ein NSC-Katalysator oder ein Partikelfilter und zusätzlich ein NOx-Speicherkatalysator ist.
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