DE102018208922A1 - Device for exhaust aftertreatment - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung (1), welche eine erste Katalysatoreinrichtung (2) und eine sich in Strömungsrichtung (17, 18) des Abgases an die erste Katalysatoreinrichtung (2) anschließende zweite Katalysatoreinrichtung (3) umfasst, wobei die erste und die zweite Katalysatoreinrichtung räumlich aneinander angrenzend angeordnet sind. Die erste Katalysatoreinrichtung (2) umfasst einen ersten Strömungskanal (11) und einen zweiten Strömungskanal (12) und die erste Katalysatoreinrichtung (2), die dazu ausgelegt ist, Abgas in einer ersten Strömungsrichtung (17) durch den ersten Strömungskanal (11) zu leiten und anschließend in einer zweiten, entgegengesetzt zur ersten Strömungsrichtung verlaufenden Strömungsrichtung (18) durch den zweiten Strömungskanal (12) zu leiten. Die zweite Katalysatoreinrichtung (3) umfasst einen dritten Strömungskanal (13), wobei der zweite Strömungskanal (12) zwischen dem ersten Strömungskanal (11) und dem dritten Strömungskanal (13) angeordnet ist, und die zweite Katalysatoreinrichtung (3) dazu ausgelegt ist, Abgas nach dem Verlassen des zweiten Strömungskanals (12) in einer entgegengesetzt zur zweiten Strömungsrichtung verlaufenden, dritten Strömungsrichtung (19) durch den dritten Strömungskanal (13) zu leiten. Der erste Strömungskanal (11) umfasst eine Mittelachse (14) und der zweite Strömungskanal (12) umfasst eine Mittelachse (15), die zu der Mittelachse (14) des ersten Strömungskanals (14) radial versetzt angeordnet ist. A device for exhaust gas aftertreatment (1), which comprises a first catalyst device (2) and a second catalyst device (3) adjoining the first catalyst device (2) in the flow direction (17, 18) of the exhaust gas, wherein the first and the second catalyst device are spatially adjacent to one another are arranged adjacent. The first catalyst device (2) comprises a first flow channel (11) and a second flow channel (12) and the first catalyst device (2), which is adapted to pass exhaust gas in a first flow direction (17) through the first flow channel (11) and then in a second, opposite to the first flow direction extending flow direction (18) through the second flow channel (12). The second catalyst device (3) comprises a third flow channel (13), wherein the second flow channel (12) between the first flow channel (11) and the third flow channel (13) is arranged, and the second catalyst device (3) is adapted to exhaust gas after leaving the second flow channel (12) in a direction opposite to the second flow direction extending, third flow direction (19) through the third flow channel (13) to conduct. The first flow channel (11) comprises a central axis (14) and the second flow channel (12) comprises a central axis (15), which is arranged offset radially to the central axis (14) of the first flow channel (14).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung und ein Kraftfahrzeug.The present invention relates to a device for exhaust aftertreatment and a motor vehicle.
Die Effizienz von Abgasnachbehandlungssystemen ist grundsätzlich beschränkt, da das Abgas, welches in den der Abgasnachbehandlungsvorrichtung nachgeordneten Bereich des Abgassystems strömt noch ungenutzte thermische Energie enthält. Die Effizienz ist weiterhin dadurch beschränkt, dass Abgasnachbehandlungssysteme üblicherweise eine bestimmte minimale Temperatur, sogenannte Light-Off-Temperatur, für die Umwandlung der Abgase benötigen.The efficiency of exhaust aftertreatment systems is basically limited, since the exhaust gas flowing into the downstream of the exhaust aftertreatment device region of the exhaust system still contains unused thermal energy. Efficiency is further limited by the fact that exhaust aftertreatment systems usually require a certain minimum temperature, so-called light-off temperature, for the conversion of the exhaust gases.
Darüber hinaus stellt die Installation von Verbrennungsmotoren im Motorraum eines Kraftfahrzeuges zunehmend eine Herausforderung dar. Grund dafür ist die steigende Anzahl an zusätzlichen Komponenten mit jeweils individuellen Größen, die zusammen mit dem Verbrennungsmotor verbaut werden müssen. Derzeit übliche Verbrennungsmotoren erfordern zum Beispiel Komponenten wie Turbolader, Abgasnachbehandlungssysteme, Hochdruck- und Niederdruck-Abgasrückführungssysteme, Ladeluftkühler, Heizsysteme, hochtemperatur-basierte und niedrigtemperatur-basierte Kühlsysteme für den Grundmotor, sowie für individuelle Komponenten, verschiedene Pumpen (beispielsweise ÖI-, Brennstoff-, Kühlmittel-, Vakuum-Pumpen) und Antriebssysteme. Mit dem Erfordernis einer kontinuierlich verbesserten Motorperformance und zunehmend strengeren Emissionsanforderungen besteht die Tendenz, dass die erforderlichen Zusatzkomponenten immer mehr Volumen im Motorraum beanspruchen. Dabei ist insbesondere die Größe des Abgasnachbehandlungssystems relevant.In addition, the installation of internal combustion engines in the engine compartment of a motor vehicle increasingly presents a challenge. The reason for this is the increasing number of additional components, each with individual sizes, which must be installed together with the internal combustion engine. Currently common internal combustion engines require, for example, components such as turbochargers, exhaust aftertreatment systems, high pressure and low pressure exhaust gas recirculation systems, intercoolers, heating systems, high temperature and low temperature based cooling systems for the base engine, as well as individual components, various pumps (eg, oil, fuel, Coolant, vacuum pumps) and drive systems. With the requirement for continuously improved engine performance and increasingly stringent emissions requirements, there is a tendency for the required supplemental components to occupy more and more volume in the engine compartment. In particular, the size of the exhaust aftertreatment system is relevant.
Im Zusammenhang mit der Nachbehandlung von Abgas von Kraftfahrzeugen wird versucht entsprechende Katalysatoren möglichst platzsparend anzuordnen. Dazu werden üblicherweise Strömungskanäle mit Rückströmungsbereichen vorgesehen. Das Abgas strömt also zunächst in einer ersten Strömungsrichtung und wird dann in eine in eine zur ersten Strömungsrichtung entgegengesetzt verlaufende zweite Strömungsrichtung umgelenkt. Auf diese Weise werden in kompakten Katalysatoranwendungen mindestens zwei Katalysatoreinheiten oder Substrate auf engstem Raum nebeneinander angeordnet.In connection with the aftertreatment of exhaust gas from motor vehicles, it is attempted to arrange appropriate catalysts as space-saving as possible. For this purpose, flow channels with return flow areas are usually provided. Thus, the exhaust gas initially flows in a first flow direction and is then deflected into a second flow direction running in the opposite direction to the first flow direction. In this way, in compact catalyst applications, at least two catalyst units or substrates are arranged side by side in a confined space.
Der beschränkte Stauraum und die Größe der Komponenten zwingen dazu, Abgasnachbehandlungskomponenten so zu installieren, dass eine steigende Anzahl an Biegungen in den Strömungskanälen erforderlich ist. Weiterhin müssen Katalysatoren so positioniert werden, dass ihre Funktionsfähigkeit nicht beeinträchtigt wird. Abgasnachbehandlungseinheiten mit einem Rückstrombereich sind beispielsweise in den Dokumenten
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung zur Verfügung zu stellen, welche vorhandenen Stauraum noch effizienter ausnutzt.Object of the present invention is to provide an advantageous device for exhaust aftertreatment available, which uses existing storage space even more efficient.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung gemäß Patentanspruch 1 und ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved by a device for exhaust aftertreatment according to
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung umfasst eine erste Katalysatoreinrichtung und eine sich in Strömungsrichtung des Abgases an die erste Katalysatoreinrichtung anschließende zweite Katalysatoreinrichtung. Die erste und die zweite Katalysatoreinrichtung sind räumlich aneinander angrenzend angeordnet, zum Beispiel nebeneinander angeordnet. Die erste Katalysatoreinrichtung umfasst einen ersten Strömungskanal und einen zweiten Strömungskanal. Die erste Katalysatoreinrichtung ist dazu ausgelegt, Abgas in einer ersten Strömungsrichtung durch den ersten Strömungskanal zu leiten und anschließend in einer zweiten, entgegengesetzt zur ersten Strömungsrichtung verlaufenden Strömungsrichtung durch den zweiten Strömungskanal zu leiten. Die zweite Katalysatoreinrichtung umfasst einen dritten Strömungskanal. Der zweite Strömungskanal der ersten Katalysatoreinrichtung ist räumlich und strömungstechnisch zwischen dem ersten Strömungskanal der ersten Katalysatoreinrichtung und dem dritten Strömungskanal der zweiten Katalysatoreinrichtung angeordnet. Die zweite Katalysatoreinrichtung ist dazu ausgelegt, Abgas nach dem Verlassen des zweiten Strömungskanals der ersten Katalysatoreinrichtung in einer dritten, entgegengesetzt zur zweiten Strömungsrichtung verlaufenden Strömungsrichtung durch die zweite Katalysatoreinrichtung zu leiten. Die dritte Strömungsrichtung kann beispielsweise parallel zur ersten Strömungsrichtung verlaufen.The device according to the invention for exhaust aftertreatment comprises a first catalyst device and a second catalyst device which adjoins the first catalyst device in the flow direction of the exhaust gas. The first and the second catalyst device are arranged spatially adjacent to one another, for example arranged next to one another. The first catalyst device comprises a first flow channel and a second flow channel. The first catalyst device is designed to guide exhaust gas through the first flow channel in a first flow direction and then to conduct it through the second flow channel in a second flow direction that runs in opposite directions to the first flow direction. The second catalyst device comprises a third flow channel. The second flow channel of the first catalyst device is arranged spatially and fluidically between the first flow channel of the first catalyst device and the third flow channel of the second catalyst device. The second catalyst device is designed to guide exhaust gas through the second catalyst device after leaving the second flow channel of the first catalyst device in a third flow direction, which runs in the opposite direction to the second flow direction. The third flow direction can run, for example, parallel to the first flow direction.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Strömungskanal eine Mittelachse umfasst und der zweite Strömungskanal eine Mittelachse umfasst, die zu der Mittelachse des ersten Strömungskanals radial versetzt angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Vorrichtung insgesamt weniger Stauraum beansprucht als bei einer konzentrischen Anordnung, in welcher die Mittelachsen des ersten Strömungskanals und des zweiten Strömungskanals identisch sind. Ein weiterer Vorteil besteht in der thermischen Isolierung des ersten Strömungskanals durch den zweiten Strömungskanal.The device according to the invention for exhaust aftertreatment is characterized in that the first flow channel comprises a central axis and the second flow channel comprises a central axis, which is arranged offset radially to the central axis of the first flow channel. This has the advantage that the device occupies a total of less storage space than in a concentric arrangement in which the center axes of the first flow channel and the second flow channel are identical. Another advantage is the thermal insulation of the first flow channel through the second flow channel.
In einer vorteilhaften Variante weist der erste Strömungskanal eine Außenwand auf, der zweite Strömungskanal weist eine Außenwand auf und zumindest ein Teilbereich der Außenwand des ersten Strömungskanals bildet zumindest einen Teilbereich der Außenwand des zweiten Strömungskanals. Diese Variante ist besonders platzsparend. Auch die im Folgenden beschriebenen Varianten haben jeweils den Vorteil, dass sie platzsparende Lösungen bereitstellen. In an advantageous variant, the first flow channel has an outer wall, the second flow channel has an outer wall, and at least a partial area of the outer wall of the first flow channel forms at least a partial area of the outer wall of the second flow channel. This variant is particularly space-saving. The variants described below also each have the advantage that they provide space-saving solutions.
In einer weiteren Variante kann der zweite Strömungskanal den ersten Strömungskanal in Umfangsrichtung zumindest teilweise umschließen. Der zweite Strömungskanal ist mit anderen Worten in dieser Variante radial in Bezug auf die Mittelachse des ersten Strömungskanals außerhalb des ersten Strömungskanals angeordnet und umschließt diesen zumindest teilweise. Insbesondere kann der zweite Strömungskanal den ersten Strömungskanal in Umfangsrichtung vollständig umschließt. Der zweite Strömungskanal kann zum Beispiel eine Querschnittsfläche aufweisen, die die Form eines offenen oder geschlossenen Ringes hat.In a further variant, the second flow channel may at least partially surround the first flow channel in the circumferential direction. In other words, in this variant, the second flow channel is arranged radially with respect to the center axis of the first flow channel outside the first flow channel and at least partially encloses it. In particular, the second flow channel completely encloses the first flow channel in the circumferential direction. For example, the second flow channel may have a cross-sectional area that is in the form of an open or closed ring.
In einer anderen Variante weist der zweite Strömungskanal eine zumindest in Bezug auf eine radiale Achse asymmetrische Querschnittsfläche auf. Durch die asymmetrische Gestaltung ist eine flexible Anpassung an den jeweils vorhandenen Stauraum möglich, ohne dass dies die Funktionalität der Abgasnachbehandlungsvorrichtung beeinträchtigt. Insbesondere kann der zweite Strömungskanal eine Freiform-Querschnittsfläche aufweisen. Dies hat den speziellen Vorteil, dass individuelle Stauraumgegebenheiten spezifisch berücksichtigt werden können und der jeweils vorhandene Platz damit optimal ausgenutzt werden kann.In another variant, the second flow channel has an asymmetrical cross-sectional area, at least with respect to a radial axis. Due to the asymmetrical design, a flexible adaptation to the existing storage space is possible without this affecting the functionality of the exhaust aftertreatment device. In particular, the second flow channel may have a free-form cross-sectional area. This has the special advantage that individual storage space conditions can be specifically taken into account and the available space can thus be optimally utilized.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet ein zueinander entgegengesetztes Verlaufen von Strömungsrichtungen, dass die entsprechenden Strömungskanäle jeweils Mittelachsen aufweisen, die einen Winkel von 135 Grad (135°) bis 180 Grad (180°) bzw. von 0 Grad (0°) bis 45 Grad (45°) einschließen. In einer vorteilhaften Variante umfasst der erste Strömungskanal eine Mittelachse und/oder der zweite Strömungskanal umfasst eine Mittelachse und/oder der dritte Strömungskanal umfasst eine Mittelachse. Die Mittelachsen können jeweils einen Winkel von 0 Grad (0°) bis 45 Grad (45°), zum Beispiel von 0 Grad (0°) bis 20 Grad (20°), vorzugsweise einen Winkel von 0 Grad (0°) bis 5 Grad (5°), einschließen.In the context of the present invention, a flow direction that is opposite to one another means that the corresponding flow channels each have central axes which are at an angle of 135 degrees (135 degrees) to 180 degrees (180 degrees) or 0 degrees (0 degrees) to 45 degrees Include degrees (45 °). In an advantageous variant of the first flow channel comprises a central axis and / or the second flow channel comprises a central axis and / or the third flow channel comprises a central axis. The center axes may each have an angle of 0 degrees (0 °) to 45 degrees (45 °), for example, from 0 degrees (0 °) to 20 degrees (20 °), preferably an angle of 0 degrees (0 °) to 5 Degrees (5 °).
Die erste Strömungsrichtung und die zweite Strömungsrichtung und/oder die zweite Strömungsrichtung und die dritte Strömungsrichtung können einen Winkel von 135 Grad bis 225 Grad einschließen. Die genannten Mittelachsen können jeweils die Strömungsrichtung in dem jeweiligen Strömungskanal festlegen. Die Mittelachse des ersten Strömungskanals kann zum Beispiel die erste Strömungsrichtung festlegen, die Mittelachse des zweiten Strömungskanals kann die zweite Strömungsrichtung festlegen und die Mittelachse des dritten Strömungskanals kann die dritte Strömungsrichtung festlegen.The first flow direction and the second flow direction and / or the second flow direction and the third flow direction may include an angle of 135 degrees to 225 degrees. The named center axes can each define the flow direction in the respective flow channel. For example, the center axis of the first flow channel may define the first flow direction, the center axis of the second flow channel may define the second flow direction, and the center axis of the third flow channel may define the third flow direction.
Mindestens eine der Katalysatoreinrichtungen kann einen SCR-Katalysator, beispielsweise einen SCR-Filter, und/oder eine Mager-NOx-Falle (LNT - Lean NOx trap) und/oder einen Dieselpartikelfilter umfassen. Vorzugsweise umfasst die erste Katalysatoreinrichtung eine Mager-NOx-Falle und die zweite Katalysatoreinrichtung einen SCR-Katalysator.At least one of the catalyst devices may comprise an SCR catalyst, for example an SCR filter, and / or a lean NOx trap (LNT) and / or a diesel particulate filter. Preferably, the first catalyst device comprises a lean NOx trap and the second catalyst device comprises an SCR catalyst.
In einer bevorzugten Variante sind die erste Katalysatoreinrichtung und die zweite Katalysatoreinrichtung innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet. Die erste Katalysatoreinrichtung kann eine Mittelachse umfassen und die zweite Katalysatoreinrichtung kann eine Mittelachse umfassen, wobei die Mittelachsen parallel zueinander verlaufen können. In einer weiteren Variante kann der erste Strömungskanal der ersten Katalysatoreinrichtung eine Mittelachse umfassen und der zweite Strömungskanal kann radial außerhalb des ersten Strömungskanals angeordnet sein. Er kann den ersten Strömungskanal insbesondere radial umschließen.In a preferred variant, the first catalyst device and the second catalyst device are arranged within a common housing. The first catalyst means may comprise a central axis and the second catalyst means may comprise a central axis, wherein the central axes may be parallel to each other. In a further variant, the first flow channel of the first catalyst device may comprise a central axis and the second flow channel may be arranged radially outside the first flow channel. It can enclose the first flow channel in particular radially.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt zur Nachbehandlung von Abgas eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors, ausgelegt. Stromaufwärts der ersten Katalysatoreinrichtung kann ein Lader, beispielsweise ein Turbolader, und/oder ein Verdampfer angeordnet sein.The device according to the invention is preferably designed for the aftertreatment of exhaust gas of an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle internal combustion engine. Upstream of the first catalyst device, a supercharger, for example a turbocharger, and / or an evaporator can be arranged.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst eine oben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung. Es hat die in diesem Zusammenhang bereits genannten Eigenschaften und Vorteile. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder ein Motorrad handeln.The motor vehicle according to the invention comprises a device according to the invention for exhaust aftertreatment described above. It has the features and benefits already mentioned in this context. The motor vehicle may be a passenger car, a truck or a motorcycle.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
-
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung in einer Seitenansicht. -
2 zeigt schematisch die in der1 gezeigte Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung in einer geschnittenen Ansicht entlangII-II . -
3 zeigt schematisch eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung in einer geschnittenen Ansicht von oben. -
4 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
-
1 schematically shows a device according to the invention for exhaust aftertreatment in a side view. -
2 schematically shows the in the1 shown variant of a device according to the invention for exhaust aftertreatment in a sectional view alongII-II , -
3 schematically shows a further variant of an inventive device for exhaust aftertreatment in a sectional top view. -
4 schematically shows a motor vehicle according to the invention.
Die
Die erste Katalysatoreinrichtung
Der zweite Strömungskanal umfasst eine Vorrichtung zum Einspritzen eines Reduktionsmittels
Der erste Strömungskanal
Die Mittelachsen
Die Mittelachsen legen gleichzeitig die Strömungsrichtung in den jeweiligen Strömungskanälen fest. Abgas durchströmt den ersten Strömungskanal
In den gezeigten Varianten kann die erste Katalysatoreinrichtung
In den
In der in der
Die kann unter spezifischen Stauraumbegrenzungen
In den
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtung zur AbgasnachbehandlungDevice for exhaust aftertreatment
- 22
- erste Katalysatoreinrichtungfirst catalyst device
- 33
- zweite Katalysatoreinrichtungsecond catalyst device
- 44
- Abgaseinlassexhaust inlet
- 55
- Abgasauslassexhaust outlet
- 66
- Abgaseinlassexhaust inlet
- 77
- Abgasauslassexhaust outlet
- 88th
- Außenwandouter wall
- 99
- Außenwandouter wall
- 1010
- radialer Versatzradial offset
- 1111
- erster Strömungskanalfirst flow channel
- 1212
- zweiter Strömungskanalsecond flow channel
- 1313
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- Mittelachsecentral axis
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- Mittelachsecentral axis
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- Mittelachsecentral axis
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- Strömungsrichtungflow direction
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- Strömungsrichtungflow direction
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- Strömungsrichtungflow direction
- 2020
- QuerschnittsflächeCross sectional area
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- Kompressorcompressor
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- Turbineturbine
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- 2525
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- StauraumbegrenzungStorage limit
- 2727
- radiale Achseradial axis
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- EinspritzvorrichtungInjector
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- Mischvorrichtungmixing device
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- Freiform-QuerschnittsflächeFree-form cross-sectional area
- 4545
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 8978366 B2 [0005]US 8978366 B2 [0005]
- US 2017218824 [0005]US 2017218824 [0005]
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