DE102019121988A1

DE102019121988A1 - Abgassystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug umfassend ein solches

Info

Publication number: DE102019121988A1
Application number: DE102019121988.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Biener; Martina Gottschling; Arne Brömer; Stefan Wendenburg
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-08-15
Filing date: 2019-08-15
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2039-08-16
Also published as: DE102019121988B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen. Das Abgassystem weist eine drehbar gelagerte Verschlussklappe auf, die ein Verschlussteil umfasst, wobei das Verschlussteil gleichzeitig einen Strömungseingang und einen Strömungsausgang verschließen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen. Das Abgassystem weist eine drehbar gelagerte Verschlussklappe auf, die ein Verschlussteil umfasst, wobei das Verschlussteil gleichzeitig einen Strömungseingang und einen Strömungsausgang eines Katalysatorsystems verschließen kann.
Es ist bekannt, ein von einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einem Dieselmotor, erzeugtes Abgas einer Abgasnachbehandlung zu unterziehen, indem es durch einen in einem Abgaskanal angeordneten Katalysator geführt wird. Einfache Oxidationskatalysatoren, die üblicherweise zur Abgasnachbehandlung in Dieselkraftmaschinen verwendet werden, umfassen im Wesentlichen ein katalytisch aktives Material, das auf der Oberfläche einer Trägersubstanz fixiert ist. Das katalytisch aktive Material ist meistens ein Edelmetall, häufig ein Metall der Platingruppe. Eine Abgasreinigung an Oxidationskatalysatoren findet statt, indem reduzierende Schadstoffbestandteile des Abgases, zu denen unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) sowie Kohlenmonoxid (CO) zählen, durch im Abgas vorhandene Stickoxide (NOx) und Sauerstoff zu weniger umweltrelevanten Produkten oxidiert werden. Zudem beschleunigt der Oxidationskatalysator die Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2), welches für die Unterhaltung eines kontinuierlichen Partikelabbrandes im Dieselmotorgas bei niedrigen Temperaturen bei zirka 300°C eine wichtige Rolle spielt. Diese Reaktionen werden durch die Gegenwart der katalytischen Materialien sowie einer erhöhten Katalysatortemperatur ermöglicht.
Üblicherweise werden Katalysatoren für Abgassysteme von Verbrennungsmotoren stromab eines Abgasturboladers angeordnet. Die technische Entwicklung führt jedoch dazu, dass insbesondere bei Dieselmotoren die Abgastemperaturen durch optimierte Brennverfahren und reibungsreduzierte Grundtriebwerke stark gesunken sind. Dadurch wird die Anspringtemperatur des Katalysators erst spät erreicht. Um dennoch eine frühe Aktivität des Katalysators zu erreichen, wird die Abgastemperatur im Katalysator durch zusätzliche Kraftstoffeinspritzungen künstlich erhöht. Auch bekannt ist der alternative oder zusätzliche Einsatz von beheizbaren Katalysatoren. Hieraus ergeben sich jedoch Emissions- und Verbrauchsnachteile.
Um dieses Problem zu verringern, wurde bereits die Anordnung eines Katalysators vor, also stromauf, der Turbine versucht. Hier tritt das Problem auf, dass im Nennleistungsbereich des Motors die Abgastemperaturen so hoch werden, dass die katalytische Beschichtung thermisch zerstört wird. Darüber hinaus stellt die Anordnung eines alleinigen Katalysators große Bauraumforderungen und bringt eine hohe thermische Masse mit, die wiederum zu einer Verzögerung in der Anspringzeit führt. Werden alternativ sogenannte Micro-Katalysatoren mit kleinem Volumen und kleiner thermischer Masse eingesetzt, können diese günstiger montiert werden. Die Verwendung solcher Micro-Katalysatoren führt jedoch stets zu Abgasgegendruckproblemen, da die Durchgänge innerhalb des Katalysators schnell von Ablagerungen blockiert werden.
WO 2014/020230A1 offenbart hierzu einen Katalysator, der stromauf der Turbine in einem parallelen Abgasstrom angeordnet ist. Das Abgas kann abhängig von der Stellung zweier Ventile wahlweise über den Hauptabgasstrom oder den, den Katalysator aufweisenden, parallelen Abgasstrom geführt werden.
In DE 10 2007 017 845 A1 wird eine Brennkraftmaschine beschrieben, die im Abgasstrom stromauf einer Turbine einen im Bypass angeordneten Katalysator zur Aufbereitung des Abgasstroms aufweist.
Die beschriebenen Katalysatoren können Zwei-Wege-Ventile aufweisen, die beispielsweise wie in DE 195 00 501 A1 beschrieben als Klappenventile ausgestaltet sind. Das dort offenbarte Klappenventil zeichnet sich durch zwei Klappen aus, die über eine Welle verbunden sind, wobei die Welle drehbar gelagert ist. Die Klappen sind entweder quer oder parallel zum Fluidstrom angeordnet und geben davon abhängig einen Durchgang des Fluids frei oder blockieren diesen.
Der Einbau derartiger Katalysatoren im Bypass birgt einen hohen zusätzlichen Verschlauchungsaufwand sowie damit verbunden einen hohen Platzbedarf. Zu beachten ist, dass der Abgasturbolader möglicherweise weniger wirksam, wenn der Abgasstrom durch einen Bypass um den Turbolader herum geleitet wird.
Der EP 2 977 577 B1 liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgassystem bereitzustellen, das eine verbesserte Abgasaufbereitung beim Kaltstart ermöglicht.
Diese Aufgabe wird in der EP 2 977 577 B1 durch ein Abgassystem gelöst, welches einen Abgasstrom erzeugenden Verbrennungsmotor, einen den Abgasstrom führenden Abgaskanal, eine Turbine als Teil eines Turboladers, eine Abgasbehandlungseinrichtung (vorzugsweise einen Katalysator umfassend) umfasst, die in einem Bypass des Abgaskanals stromauf der Turbine angeordnet ist, und eine Ventileinheit, die an einer Abzweigungsstelle des Bypasses im Abgaskanal angeordnet ist. Die Turbine ist über den Abgaskanal mit dem Verbrennungsmotor verbunden. Erfindungsgemäß ist die Abgasbehandlungseinrichtung über einen Strömungseingang und einen Strömungsausgang des Bypasses fluidführend mit dem Abgaskanal verbunden. Die Ventileinheit, welche stromauf, also vor der Turbine im Abgaskanal angeordnet ist, weist zumindest zwei Positionen auf. In einer ersten Position der Ventileinheit ist der Abgaskanal verschlossen, und Strömungseingang und Strömungsausgang sind geöffnet. In einer zweiten Position der Ventileinheit ist der Abgaskanal hingegen geöffnet, und Strömungsein- und Strömungsausgang sind verschlossen. Der Abgasstrom fließt aus dem Verbrennungsmotor bis zum Ventil. In der ersten Position der Ventileinheit wird der Abgasstrom in den Strömungseingang abgezweigt und von dort aus in die Abgasbehandlungseinrichtung geführt. Anschließend tritt der Abgasstrom durch die Abgasbehandlungseinrichtung hindurch und wird über den Strömungsausgang mittels derselben Ventileinheit wieder in den Abgaskanal geleitet, um von dort aus zur Turbine zu gelangen. Befindet sich die Ventileinheit in der zweiten Position, passiert der Abgasstrom die Abgasbehandlungseinrichtung nicht, vielmehr wird die Abgasbehandlungseinrichtung umgangen, sodass der Abgasstrom vom Verbrennungsmotor durch die Ventileinheit hindurch direkt zur Turbine gelangt. Die Abgasbehandlungseinrichtung ist also über eine Ventileinheit in einem zuschaltbaren Bypass im Abgaskanal angeordnet.
Gemäß der EP 2 977 577 B1 weist das Ventil Verschlussabschnitte auf, die als Verschlussklappen ausgebildet sind. Diese sind über ein drehbar gelagertes Verbindungselement miteinander verbunden.
Zum Prioritätszeitpunkt der EP 2 977 577 B1 wurde angenommen, dass eine solche Ausgestaltung eines Ventils mit Verschlussklappen und zusätzlichem Verbindungselement zwingenderweise notwendig für eine wirksame Abdichtung im entsprechenden Katalysatorsystem ist. Die Bedingungen im Abgaskanal sind in Hinblick auf die Temperatur des Abgases als auch auf die im Abgas vorliegenden Substanzen mitunter aggressiv. So wurden die Bauteile in Form und Material an die einzelnen Bedingungen des Abgaskanals angepasst. Das Verschlussteil wurde elastisch ausgeführt, um eine bessere Dichtung zu erzielen, während das Verbindungselement besonders starr und spröde ausgeführt wurde. Allerdings sind solche Ventile aufwendig in der Herstellung.
Der Fachmann stand vor der Aufgabe, dass aus EP 2 977 577 B1 bekannte Abgassystem noch weiter zu verbessern.
Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung daher ein Abgassystem für ein Kraftfahrzeug umfassend:

- einen einen Abgasstrom erzeugenden Verbrennungsmotor,
- einen den Abgasstrom führenden Abgaskanal,
- eine Turbine als Teil eines Turboladers, die in dem Abgaskanal angeordnet ist,
- eine Abgasbehandlungseinrichtung, die in einem Bypass des Abgaskanals stromauf der Turbine angeordnet ist, sowie
- eine Ventileinheit, die an einer Abzweigungsstelle des Seitenarms im Abgaskanal angeordnet ist, wobei die Abgasbehandlungseinrichtung über einen Strömungseingang und einen Strömungsausgang des Bypasses fluidführend mit dem Abgaskanal verbunden ist, wobei in einer ersten Position der Ventileinheit der Abgaskanal verschlossen und der Strömungseingang und Strömungsausgang geöffnet sind und in einer zweiten Position der Ventileinheit der Abgaskanal geöffnet und der Strömungseingang und der Strömungsausgang verschlossen sind, wobei die Ventileinheit ein Verschlussteil umfasst, wobei in der zweiten Position das Verschlussteil der Ventileinheit den Strömungseingang und gleichzeitig den Strömungsausgang verschließt und das Verschlussteil in der ersten Position den Abgaskanal verschließt.

Es wurde überraschend festgestellt, dass auch ein Ventil nach der erfindungsgemäßen Bauweise trotz der harschen Bedingungen im Abgaskanal (im Hinblick auf die Temperatur des Abgases als auch auf die im Abgas vorliegenden Substanzen) geeignet ist. Der einfachere Aufbau trägt zu einer kosteneffizienteren Produktion bei. So müssen nun die Bauteile der Ventilklappe nicht mehr in Form und Material angepasst und zusammengefügt werden. Es wurde auch festgestellt, dass der Aufbau des Verschlussteils gemäß der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Fluiddynamik im Abgasstrom ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Abgassystem dahingehend ausgebildet, dass der Strömungseingang und der Strömungsausgang in Gegenstromführung zueinander in dem Bypass geführt sind und in der ersten Position durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei die Verschlussklappe mit Verschlussteil bevorzugt die Wandung zumindest teilweise bildet und damit einen Übertritt von Abgas zwischen Strömungseingang und Strömungsausgang in der ersten Position verhindert.
Hierdurch ist eine besonders günstige Strömungsführung möglich.
Der Begriff der „Wandung“, die den Strömungseingang und der Strömungsausgang voneinander trennt, ist bevorzugt nicht in dem Abgaskanal angeordnet. Sofern also Teile des Verschlussteils den Abgaskanal blockieren, ist dieser Bereich des Verschlussteils nicht mehr der Wandung, die den Strömungseingang und der Strömungsausgang voneinander trennt, zuzurechnen.
Aufgrund der geringeren thermischen Masse, die der Abgasstrom bis zur Turbine passiert und da die Turbine dem Abgas Energie zum Antrieb des Verdichters entzieht, sind die Abgastemperaturen vor der Turbine des Turboladers in Teillast immer ca. 100 K höher als nach der Turbine des Turboladers. Die Anordnung der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungseinrichtung in einem über die Ventileinheit schaltbaren Bypass bringt den Vorteil, dass die Abgasbehandlungseinrichtung im Bedarfsfall, beispielsweise bei zu hohen Abgastemperaturen, umgangen wird. Somit werden eine aufgrund zu hoher Abgastemperaturen einsetzende thermische Alterung vermieden und sowohl Schädigungen der Beschichtung als auch zusätzliche Strömungsverluste bei hohen Massenströmungen reduziert. Der hohe Druck und die höhere Temperatur vor der Turbine des Turboladers ermöglichen ferner eine kleiner dimensionierte Abgasbehandlungseinrichtung als bei herkömmlichen Abgassystemen, bei denen die Abgasbehandlungseinrichtung nach der Turbine des Turboladers angeordnet ist. Dies bringt wiederum einen Bauraum- und Materialvorteil mit sich.
Vorzugsweise wird ein stromabwärts gelegener Fluidrücklauf der Abgasbehandlungseinrichtung verschlossen. Es hat sich gezeigt, dass es bei dieser Ausgestaltung im Gegensatz zu herkömmlichen Abgassystemen mit nur einer verschlossenen Seite nicht zu einer Pulsation des Abgasstromes und somit nicht zu einem signifikanten Stofftransport kommt, und somit verhindert wird, dass das Volumen der nach dem Ventil verbleibenden Strecke durch den stromab offenen Kanal zyklisch mit heißem Abgas be- und entladen wird, was trotz Ventil zu einer thermischen Schädigung der katalytischen Beschichtung führt.
Die Anordnung des Strömungsein- und Strömungsausgangs der Abgasbehandlungseinrichtung innerhalb nur einer Ventileinheit, das heißt in diesem Zusammenhang beider in derselben, birgt weiterhin den Vorteil, dass im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen kein zusätzlicher Verrohrungsaufwand nötig ist. Darüber hinaus ist ein leichter Wechsel beziehungsweise eine Wartung der Abgasbehandlungseinrichtung möglich. Der Aufbau eines bisher gebräuchlichen Abgaskrümmermoduls kann weitestgehend beibehalten werden, sodass auch ein Umbau eines bestehenden Abgassystems mit minimierten Umbauerfordernissen möglich ist.
In einer Ausführungsform sind Strömungsein- und Strömungsausgang in Gegenstromführung zueinander in dem Bypass geführt und derart voneinander entkoppelt, dass kein Fluidaustausch möglich ist. Insbesondere sind Strömungsein- und Strömungsausgang im Bypass benachbart zueinander angeordnet und durch eine Zwischenwand, oder Wandung, getrennt, sodass jeweils ein Raum ausgebildet ist, welcher den Abgaskanal mit dem Katalysator verbindet. Der Strömungseingang liegt dabei stromauf der Abgasbehandlungseinrichtung, während der Strömungsausgang stromab der Abgasbehandlungseinrichtung angeordnet ist. Mit anderen Worten ist der Bypass in dieser Ausführungsform über eine T-förmige Abzweigstelle mit dem Abgaskanal verbunden, wobei Strömungsein- und Strömungsausgang in einem Arm des „Ts“ untergebracht sind.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind somit der Strömungseingang und der Strömungsausgang in Gegenstromführung zueinander in dem Bypass geführt und vorzugsweise durch eine Zwischenwand voneinander getrennt. Eine derartig kompakte Bauweise bringt einen geringeren Bauraumbedarf mit sich und führt zudem zu weniger thermischen Verlusten, da der einströmende Abgasstrom durch den ausströmenden Strom erwärmt wird.
Ferner ist bevorzugt, dass die Ventileinheit als Klappenventil ausgebildet ist. Klappenventile sind wenig störanfällige Ventile, welche in der Regel über zwei Positionen verfügen.
Es ist vorgesehen, dass das Ventil ein einziges Verschlussteil aufweist. Die Ventileinheit ist also dahingehend ausgebildet, dass die drehbar gelagerte Verschlussklappe ein Verschlussteil umfasst, wobei in der zweiten Position das Verschlussteil der Ventileinheit den Strömungseingang und gleichzeitig den Strömungsausgang verschließt und das Verschlussteil in der ersten Position den Abgaskanal verschließt.
Anders ausgedrückt ist das Abgassystem also dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussteil einen ersten Bereich aufweist, der in der zweiten Position der Ventileinheit den Strömungseingang verschließt und einen zweiten Bereich aufweist, der in der zweiten Position den Strömungsausgang verschließt und das Verschlussteil in der ersten Position den Abgaskanal verschließt, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich nicht über ein zusätzliches Verbindungselement miteinander verbunden sind.
Bevorzugt weist die Ventileinheit also nicht mehrere Verschlussteile zum Verschließen der jeweiligen Position der Ventileinheit auf.
Durch Bewegen der Klappe wird das Verschlussteil rotatorisch in eine andere Position überführt werden. Üblicherweise weist das Klappenventil zwei Positionen auf, in welcher zumindest ein Durchgang abwechselnd geöffnet und verschlossen ist.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform, weist das Verschlussteil einen rechteckigen Querschnitt senkrecht zum Abgasfluss in der zweiten Position auf. Genauer gesagt weist das Verschlussteil einen rechteckigen Querschnitt senkrecht zum Abgaskanal, also der Strömungsrichtung im Abgaskanal, auf, wenn sich das Verschlussteil in der zweiten Position befindet. Die Richtungsangabe ist bezüglich der Querschnittsoberfläche, genauer gesagt zu den diese Fläche aufspannenden Vektoren, zu verstehen.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform, weist das Verschlussteil einen rechteckigen Querschnitt parallel zum Abgasfluss in der zweiten Position auf. Genauer gesagt weist das Verschlussteil einen rechteckigen Querschnitt parallel zum Abgaskanal, also der Strömungsrichtung im Abgaskanal, auf, wenn sich das Verschlussteil in der zweiten Position befindet. Die Richtungsangabe ist bezüglich der Querschnittsoberfläche, genauer gesagt zu den diese Fläche aufspannenden Vektoren, zu verstehen.
Weiter bevorzugt weist das Verschlussteil einen rechteckigen Querschnitt parallel und senkrecht zum Abgaskanal auf, wenn sich das Verschlussteil in der zweiten Position befindet. Insbesondere ist das Verschlussteil eine rechteckige Platte.
Solche Platten sind einfach zu fertigen. Es wurde auch festgestellt, dass eine solche Form des Verschlussteils eine verbesserte Fluiddynamik im Abgasstrom ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kontur der Klappe so ausgeführt, dass die Strömung bei der Umlenkung unterstützt wird in der Art einer Strömungslippe und/oder eines Spoilers.
Mit besonderem Vorteil wird das Verschlussteil in eine Aussparung der Achse eingefügt. Die Achse kann so stoffschlüssig, also beispielsweise mittels Schweißens, und/oder über ein geeignetes Befestigungselement mit dem Verbindungselement verbunden sein. Die Achse ist wiederum in einem Ventilschaft angeordnet, sodass eine Drehung eine Rotation der Achse und somit der Verschlussklappe ausführt. Über die Rotation der Achse in einem geeigneten Winkel wird das Verschlussteil entweder in der ersten oder zweiten Position der Ventileinheit angeordnet.
Mit besonderem Vorteil ist die Bewegung der Achse steuerbar, insbesondere automatisiert steuerbar. Vorzugsweise ist die Achse somit mit einer Steuereinheit verbunden, wobei in diese Steuereinheit zusätzlich Informationen über Parameter des Abgasstroms, wie Drücke und Temperaturen, eingelesen und bei Über- und/oder Unterschreiten von kritischen Werten zumindest ein Signal zum Einnehmen der ersten oder zweiten Position an die Ventileinheit übermittelt werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasbehandlungseinrichtung mit einem Bypass des Abgaskanals über ein Anschlussende des Bypasses und ein korrespondierendes Anschlussstück der Abgasbehandlungseinrichtung lösbar miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht unter anderem eine leichte Wartung der Abgasbehandlungseinrichtung. Insbesondere kann die Abgasbehandlungseinrichtung mit minimalem Aufwand entfernt beziehungsweise gewechselt werden. Da die Verbindung zwischen Bypass und Abgasbehandlungseinrichtung nur über Anschlussende und Anschlussstück definiert wird, ist es zudem möglich, dass die Abgasbehandlungseinrichtung durch einen Katalysator oder aber auch einen Filter ersetzt wird, der ein zum Anschlussende des Bypasses korrespondierendes Anschlussstück aufweist. Somit kann der Katalysator beziehungsweise der Filter in Größe und Form, insbesondere Volumen, variieren und somit beispielsweise an die Abgasmassenströme verschiedener Verbrennungsmotoren angepasst werden.
Es ist bevorzugt, dass der den Strömungseingang und -ausgang beherbergende Bypass und ein die Ventileinheit beherbergender Abschnitt des Abgaskanals als einteiliges T-Verbindungsstück ausgebildet sind, welches lösbar mit dem Abgaskanal und/oder der Abgasbehandlungseinrichtung verbindbar ist. Die Ausbringung der Ventileinheit als einteiliges T-Stück ist eine besonders platzsparende Ausführungsform einer Ventileinheit für einen Bypass, welche zudem sowohl den Strömungsein- als auch Strömungsausgang aufweist. Insbesondere die lösbare Verbindung ermöglicht die Nachrüstung von bestehenden Abgassystemen mit der Abgasbehandlungseinrichtung in erfindungsgemäßer Anordnung.
Insbesondere bevorzugt ist, dass die Ventileinheit oder das dieses beherbergende T-Verbindungsstück unmittelbar stromausgangsseitig an einen Abgaskrümmer des Abgaskanals anschließt. Die resultierende motornahe Anordnung bietet den Vorteil, dass der im Abgaskanal geführte Abgasstrom möglichst geringe thermische Verluste erfährt, bevor er in die Abgasbehandlungseinrichtung geführt wird. Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit dem Begriff „motornah/brennkraftmaschinennah“ ein Abstand zwischen Zylinderauslass des Verbrennungsmotors und Stirnfläche der Abgasbehandlungseinrichtung von höchstens 120 cm, insbesondere höchstens 100 cm, vorzugsweise höchstens 80 cm verstanden. In einer konkreten Ausführung beträgt der Abstand etwa 75 cm. Eine motornahe Anordnung bedeutet insbesondere, dass die Abgasbehandlungseinrichtung im Motorraum und/oder an der Brennkraftmaschine („closed-coupled“) angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Abwärme der Brennkraftmaschine genutzt werden, um die Arbeitstemperaturen der Katalysatoren in der Abgasbehandlungseinrichtung zu erreichen.
Die sehr kompakte platzsparende Bauform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungseinrichtung ist besonders vorteilhaft für Ausführungsformen, in welcher die Abgasbehandlungseinrichtung stromauf einer Turbine eines Turboladers angeordnet ist. Der hohe Druck und die höhere Temperatur vor der Turbine des Turboladers ermöglichen einen kleiner dimensionierten Katalysator als bei herkömmlichen Abgassystemen, bei denen der Katalysator nach der Turbine des Turboladers angeordnet ist. Dies bringt wiederum einen Bauraum- und Materialvorteil mit sich.
Darüber hinaus oder des Weiteren kann die Abgasbehandlungseinrichtung in einer Bypassleitung einer Abgasanlage angeordnet sein oder kann die Brennkraftmaschine eine Bypassleitung zur Umgehung der Abgasbehandlungseinrichtung aufweisen. Insbesondere können die Zuleitung zur Abgasbehandlungseinrichtung und/oder die Ableitung von der Abgasbehandlungseinrichtung verschließbar sein. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Bypassleitung verschließbar sein. Aufgrund der geringeren thermischen Masse, die der Abgasstrom bis zur Turbine passiert, sowie der Energie, die die Turbine dem Abgasstrom zum Antrieb des Verdichters entnimmt, sind die Abgastemperaturen vor der Turbine des Turboladers in Teillast typischerweise circa 100 K höher als nach der Turbine des Turboladers. Eine Anordnung mit einem verschließbaren Bypass beziehungsweise verschließbaren Zu- und Ableitungen bringt den Vorteil, dass die Abgasbehandlungseinrichtung im Bedarfsfall, beispielsweise bei zu hohen Abgastemperaturen, vom Abgas umgangen wird. Somit werden eine aufgrund zu hoher Abgastemperaturen einsetzende thermische Alterung des Katalysators in der Abgasbehandlungseinrichtung vermieden und sowohl Schädigungen der Beschichtung als auch zusätzliche Strömungsverluste bei hohen Massenströmungen reduziert.
Die Abgasbehandlungseinrichtung umfasst vorzugsweise wenigstens einen Katalysator in einer Baueinheit mit einer Seite, welche eine Zuleitungsöffnung für Abgas in die Baueinheit und eine Ableitungsöffnung für Abgas aus der Baueinheit aufweist. Der Katalysator umfasst ein monolithisches Substrat (einteiliges Substrat). Es sind eine erste Gruppe von Kanälen durch das Substrat in einer ersten Strömungsrichtung durchströmbar und eine zweite Gruppe von Kanälen durch das Substrat in einer zweiten, von der ersten verschiedenen Strömungsrichtung durchströmbar in der Baueinheit angeordnet.
Die erste Gruppe von Kanälen wird auch als erster Teil des Katalysators und die zweite Gruppe von Kanälen als zweiter Teil des Katalysators bezeichnet. In bestimmten Ausführungsformen kann es weitere Gruppen von Kanälen geben.
Die erste und die zweite Gruppe von Kanälen können dieselbe katalytische Beschichtung oder dieselben katalytischen Beschichtungen aufweisen. Alternativ dazu können die erste und die zweite Gruppe von Kanälen voneinander verschiedene katalytische Beschichtung aufweisen. Darüber hinaus kann der Katalysator wenigstens abschnittsweise eine Filterfunktion haben. Insbesondere kann es sich um ein Wandstromsubstrat handeln.
Die zweite Strömungsrichtung ist bevorzugt antiparallel/entgegengesetzt zur ersten Strömungsrichtung. Die Baueinheit ist (bevorzugt lösbar) mit einer Abgasleitung verbindbar, sodass eine fluidische Verbindung der Zuleitungsöffnung und der Ableitungsöffnung mit der Abgasleitung herstellbar ist. Die Zuleitungsöffnung und die Ableitungsöffnung haben bevorzugt im Wesentlichen dieselbe Orientierung.
In vorteilhafter Weise gelangt ein kompakter monolithischer Katalysator zum Einsatz, um in der Baueinheit eine möglichst große Raumausnutzung, katalytisch wirksame Fläche bezogen auf das Volumen, zu erreichen. Die Baueinheit ist in hohem Maße Bauraum sparend. Die Baueinheit ist auf einer Seite anschlussfähig für die Zuleitung und für die Ableitung von Abgas.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung liegt die erste Gruppe von Kanälen durch das Substrat stromaufwärts von der zweiten Gruppe von Kanälen durch das Substrat in der Abgasbehandlungseinrichtung. Mit anderen Worten, ein Abgasstrom durchfließt einen ersten Teil des Katalysators in einer ersten Richtung und einen zweiten Teil des Katalysators in einer zweiten Richtung. Die erste Gruppe und die zweite Gruppe können zusammen das gesamte Substrat bilden.
Zur einfachen und möglichst Gegendruck minimierenden Abgasströmungsleitung ist vorteilhafterweise in bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, dass in der Baueinheit ein Abgaszuleitkanal von der Zuleitungsöffnung zur ersten Gruppe von Kanälen durch das Substrat führt und/oder ein Abgasableitkanal von der zweiten Gruppe von Kanälen durch das Substrat zur Ableitungsöffnung führt.
Des Weiteren oder alternativ dazu kann die Baueinheit der Abgasbehandlungseinrichtung eine Umlenkungsvorrichtung zur Veränderung der Strömungsrichtung des die Baueinheit durchströmenden Abgases aufweisen, wobei die Umlenkungsvorrichtung stromab der ersten Gruppe von Kanälen des Katalysators und stromauf der zweiten Gruppe von Kanälen des Katalysators angeordnet ist. Eine Innenfläche einer Gehäusewand kann insbesondere die Umlenkungsvorrichtung bilden oder Teil der Umlenkungsvorrichtung sein.
Das monolithische Substrat des Katalysators kann in konkreten Ausführungsformen, insbesondere auf zwei Arten, in Gruppen eingeteilt sein: Zum einen können die erste Gruppe von Kanälen des Katalysators und die zweite Gruppe von Kanälen des Katalysators derart zueinander liegen, dass die eine der Gruppen des Katalysators die andere der Gruppen des Katalysators konzentrisch umgibt. Zum anderen können die erste Gruppe von Kanälen des Katalysators und die zweiten Gruppe von Kanälen des Katalysators zueinander spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine das Bauteil schneidende Ebene liegen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Katalysator einen Drei-Wege-Katalysator zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (NOx), insbesondere bevorzugt ist er als Kombination eines Drei-Wege-Katalysators und eines Partikelfilters ausgeführt, sodass alle relevanten Schadstoffe möglichst aufbereitet werden, bevor sie in die Turbine des Turboladers gelangen. Letztere Ausführung wird auch als Vier-Wege-Katalysator bezeichnet. Bevorzugt ist der Katalysator ausgebildet, die Stickoxide zu reduzieren und/oder zu speichern. Die Speicherfunktion stellt sicher, dass dem Abgasstrom auch bei niedrigen Abgastemperaturen, beispielsweise beim Kaltstart, die Stickoxide entzogen werden. Auf diese Weise können innermotorische Maßnahmen zur Senkung der NOx-Rohemission nach einem Kaltstart, wie zum Beispiel Voreinspritzung, Spätverschiebung der Verbrennungsschwerpunktlagen, hohe AGR-Raten, Reduzierung der Zylinderfüllung, vermieden werden. In der Folge werden der Wirkungsgrad verbessert, der Verbrauch gesenkt sowie die Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen verringert.
Auch ist die Anordnung eines Katalysators sowie eines Dosierelementes zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) möglich.
Ferner ist bevorzugt, dass stromab, also hinter der Turbine, weitere Katalysatoren und/oder Filter angeordnet sind. Dies bringt den Vorteil, dass bei einer Umgehung des erfindungsgemäßen Katalysators, also bei geschlossenem Strömungsein- und Strömungsausgang, der Abgasstrom dennoch aufbereitet wird. Stromab der Turbine sind vorzugsweise Oxidationskatalysatoren und/oder Partikelfilter und/oder SCR Katalysatoren angeordnet.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug aufweisend ein Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1A eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgassystems,
1B eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgassystems in einer bevorzugten Ausführungsform,
2 eine schematische Darstellung einer Abgasbehandlungseinrichtung in einem Abgassystem mit einer Ventileinheit gemäß dem Stand der Technik,
3 eine Detaildarstellung der Ventileinheit gemäß Stand der Technik in einem Abgassystem,
4 eine schematische Darstellung einer Abgasbehandlungseinrichtung in einem Abgassystem mit einer Ventileinheit gemäß der Erfindung,
5 eine Detaildarstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungseinrichtung, und
6 eine Detaildarstellung der Ventileinheit gemäß der Erfindung.

1A zeigt ein erfindungsgemäßes Abgassystem 1 eines Verbrennungsmotors 2. In dargestellter Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor 2 als Dieselmotor ausgebildet. Der Verbrennungsmotor 2 ist über einen Abgaskanal 4 mit einer Turbine 3 verbunden, welcher einen Kompressor 8 eines Turboladers antreibt. Stromauf der Turbine 3, ist eine Ventileinheit 5 innerhalb des Abgaskanals 4 angeordnet. Die Ventileinheit 5 weist einen Strömungseingang 11 und einen Strömungsausgang 12 auf, welche jeweils fluidführend mit einer Abgasbehandlungseinrichtung 10 verbunden ist. Der Katalysator 10 ist parallel zum Abgaskanal 4, in einem Bypass 4b, angeordnet.
Stromauf der Turbine 3 sind Sensoren 9 zur Messung von Temperatur und/oder Druck und/oder des Luftverhältnisses (Lambda) und/oder der Stickoxidkonzentration (NOx) des Abgasstroms angeordnet. In dargestellter Ausführungsform erfolgt die Anordnung der Sensoren stromauf der Ventileinheit 5.
Stromab der Turbine 3, insbesondere an einer Unterbodenposition eines von dem Verbrennungsmotor 2 angetriebenen Kraftfahrzeugs, können weitere Katalysatoren 6 und/oder Filter 7 angeordnet sein. In gezeigter Ausführungsform sind im Abgaskanal 4 hinter der Turbine 3 ein Diesel-Oxidations-Katalysator 6 sowie ein Partikelfilter 7 angeordnet.
Im Verbrennungsmotor 2 werden durch Verbrennung des Kraftstoffs schadstoffbelastete Abgase erzeugt. Diese Abgase gelangen über einen Krümmer 4a in den Abgaskanal 4. Die im Abgaskanal 4 angeordnete Ventileinheit 5 stellt eine Abzweigung für den im Abgaskanal 4 geförderten Abgasstrom dar. Je nach Position der Ventileinheit 5 wird der Abgasstrom entweder über den Strömungseingang 11 in den Katalysator 10 geleitet und von dort aus über den Strömungsausgang 12 über die Ventileinheit 5 wieder in den Abgaskanal 4, oder aber gelangt unter Umgehung der Abgasbehandlungseinrichtung 10 direkt durch die Ventileinheit 5 hindurch zur Turbine 3. Wird der Abgasstrom durch den Katalysator 10 geführt, werden, je nach Ausgestaltung des Katalysators 10, Schadstoffe wie Stickoxide, Kohlenmonoxid sowie Partikel aus dem Abgasstrom entfernt.
Die Einstellung der Positionen der Ventileinheit 5 kann beispielsweise in Abhängigkeit von Sensoren im Abgasstrom erfolgen. Stehen die Sensoren 9 mit einer Steuereinheit in Verbindung, welche darüber hinaus mit der Ventileinheit 5 in Verbindung steht, so können in Abhängigkeit von den gemessenen Eigenschaften des Abgasstroms die Positionen innerhalb der Ventileinheit 5 gesteuert werden.
Stromab der Ventileinheit 5 trifft der Abgasstrom auf die Turbine 3 und treibt diese an. Da die Turbine 3 mit einem Kompressor 8 des Turboladers verbunden ist, kann dieser Frischluft ansaugen und verdichten, welche dann dem Verbrennungsmotor 2 zugeführt wird. Ausgehend von der Turbine 3 wird der Abgasstrom weiter über den Abgaskanal 4 hin zu einer nicht dargestellten Abgasklappe geführt. Dabei kann der Abgasstrom weitere Katalysatoren, wie beispielsweise einen Diesel-Oxidations-Katalysator 6 und/oder Partikelfilter 7, passieren. Die Katalysatoren 6 und/oder Filter 7 dienen insbesondere dazu, Schadstoffe, welche sich im Abgasstrom befinden und nicht bereits über die Abgasbehandlungseinrichtung 10 umgesetzt wurden, aus dem Abgasstrom zu entfernen. Darüber hinaus haben die nachgeschalteten Katalysatoren 6 und/oder Filter 7 die Funktion der Erstbehandlung des Abgasstromes, falls die vorgeschaltete Abgasbehandlungseinrichtung 10 umgangen wurde. Dies kann zum Beispiel dann der Fall sein, wenn die Temperatur des Abgases einen kritischen Wert überschritten hat, bei dem die Gefahr besteht, dass eine innerhalb der Abgasbehandlungseinrichtung 10 angeordnete katalytische Beschichtung beschädigt oder zerstört wird.
1B zeigt das erfindungsgemäße Abgassystem 1 in einer bevorzugten Ausführungsform. Im Wesentlichen entsprechen Aufbau und Funktionsweise denen in 1 gezeigten. Das in 1B gezeigte Abgassystem 1 zeigt darüber hinaus weitere Bestandteile des Abgassystems 1, wie beispielsweise Temperatur- 21 und Drucksensoren 22 und deren bevorzugte Anordnung im Abgassystem 1, sowie mögliche zusätzliche Strömungswege, wie die Luftzufuhr oder einen Blow-by 32. Weiterhin gezeigt sind die durch Pfeile dargestellten Strömungswege des Abgases und der Zuluft. Einzelne Komponenten sind der Bezugszeichenliste zu entnehmen.
2 zeigt eine Detailansicht der Anordnung der Ventileinheit 5 und der Abgasbehandlungseinrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik. Zusätzlich zeigt 3 die Ventileinheit 5 gemäß dem Stand der Technik in einer weiter vergrößerten Darstellung.
Gezeigt ist der Krümmer 4a als Ausgang des Verbrennungsmotors 2, in dessen unmittelbarer Nähe die Ventileinheit 5 im Abgasstrom 4 angeordnet ist.
Die Ventileinheit 5 gemäß dem Stand der Technik verfügt über zwei Verschlussteile 15a, 15b, welche über ein Verbindungselement 16 starr miteinander verbunden sind. Ferner beherbergt die Ventileinheit 5 einen Strömungseingang 11 und einen Strömungsausgang 12. Die Ventileinheit 5 kann mindestens zwei Positionen einnehmen, wobei in einer ersten Position 13 einer der Verschlussabschnitte 15a oder 15b den Abgaskanal verschließt und ein erster Verschlussabschnitt 15a in einer zweiten Position 14 den Strömungseingang 11 verschließt und ein zweiter Verschlussabschnitt 15b den Strömungsausgang 12 verschließt.
Verschlussteile 15a und 15b und Verbindungselement 16 sind aus unterschiedlichen Materialien gefertigt. Das Verschlussteil 15 ist aus einem dichtenden Material, einem weichen Metall, gefertigt, während das Verbindungselement 16 starr ist und insbesondere spröde Eigenschaften hat und beispielsweise aus einem Stahl gefertigt ist. Das Verbindungselement 16 ist zwischen den Verschlussteilen 15 mit einer Achse 17 verbunden. Die Achse 17 ist drehbar innerhalb des Ventilschaftes gelagert. Achse 17 und Verbindungselement 16 stehen dabei lotrecht zueinander.
Die Ventileinheit 5 weist weiterhin über einen Strömungseingang 11 und einen Strömungsausgang 12 auf. Eine Rotation der Achse 17 führt somit zu einer Verlagerung der Position der Verschlussteile 15a, 15b. In dargestellter Ausführungsform führt eine Rotation der Achse 17 um 90° im mathematisch negativen Drehsinn von der zweiten Position 14 der Ventileinheit 5, in welcher Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 durch die Verschlussteile 15a, 15b verschlossen sind, zu der ersten Position 13, in welcher das erste Verschlussteil 15a, welches zuvor den Strömungseingang 11 verschloss, den Abgaskanal 4 verschließt. Wird die Achse 17 erneut um 90° im mathematisch positivem Drehsinn gedreht, werden die Verschlussteile 15a, 15b erneut verlagert, sodass sie dann den Abgaskanal 4 freigeben und Abgas vom Verbrennungsmotor durch die Ventileinheit 5 direkt zur Turbine fließen kann und gleichzeitig Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 verschlossen und somit für den Abgasstrom blockiert sind. Je nach Ausgestaltung des Abgaskanals 4 und der Anordnung von Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 können die von den Verschlussteilen 15a, 15b beschriebenen Kreissegmente auch andere Winkel im Bereich von 1 ° bis 180° beschreiben. Die Achse 17 kann mit einer nicht dargestellten Steuereinheit verbunden sein. Diese Steuereinheit kann weiter mit Sensoren 9 zur Bestimmung der Abgastemperatur beziehungsweise des Abgasdrucks beziehungsweise der Abgaszusammensetzung verbunden sein. Weist der Abgasstrom Temperaturen unterhalb der kritischen Temperatur von ca. 700°C auf, wird über die Steuereinheit die erste Position 13 gewählt. Überschreitet die Temperatur des Abgasstroms jedoch die kritische Temperatur, so erfolgt eine Signalgebung an die Achse 17, welche infolgedessen um den erforderlichen Winkel, hier 90°, gedreht wird, und die Verschlussteile 15a, 15b in die zweite Position 14 überführt.
Der Ventilschaft ist an einem Punkt angeordnet, in dem Abgaskanal 4, Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 zusammengeführt werden. Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 sind parallel zueinander benachbart angeordnet und über eine Zwischenwand voneinander getrennt. Diese Trennung unterbindet einen Austausch des Fluids. Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 sind an zwei gegenüberliegenden Seiten offen ausgeführt, wobei eine Öffnung eine fluidführende Verbindung mit dem Abgaskanal 4 darstellt und die andere Öffnung eine fluidführende Verbindung zur Abgasbehandlungseinrichtung 10 ist. An dem Ende, an welchem Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 mit der Abgasbehandlungseinrichtung 10 verbunden sind, weist die Ventileinheit 5 weiter ein Anschlussende 18 auf. Das Anschlussende 18 kann, beispielsweise als Teil eines Flansches oder als Gewinde, als Teil einer Rast-Steck-Verbindung und/oder Bajonettverbindung ausgebildet sein. Ein korrespondierendes Anschlussstück 19 zu dem Anschlussende 18 der Ventileinheit 5 ist an der Abgasbehandlungseinrichtung 10 (genauer gesagt eines Gehäuses desselben) angeordnet. Anschlussende 18 der Ventileinheit 5 und Anschlussstück 19 der Abgasbehandlungseinrichtung 10 bilden gemeinsam eine fluidführende, nach außen dichtende Verbindung. Diese Verbindung kann beispielsweise in Form eines Flansches, einer Dreh- und/oder Steckverbindung, wie beispielsweise einer Bajonettverbindung, oder einem Gewinde ausgeführt sein.
Das Anschlussstück 19 ist, bevorzugt stoffschlüssig, mit der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungseinrichtung 10 verbunden. Die erfindungsgemäßen Abgasbehandlungseinrichtung 10 weist zumindest einen Katalysator 35 mit einer katalytischen Beschichtung und/oder einer Partikelfilterfunktion auf. Der Katalysator 35 wird in Hin-Richtung durch eine erste Gruppe 42 von Kanälen und in der Rück-Richtung durch eine zweite Gruppe 44 von Kanälen durchströmt.
Bei Partikelfiltern sind die Strömungskanäle des Katalysatorträgers wechselseitig ein- oder ausgangsseitig geschlossen, sodass das Abgas durch die Wandungen der Kanäle treten muss und die Partikel zurückgehalten werden. Zudem sind im Falle katalytischer Partikelfilter die Wandungen mit einer katalytischen Beschichtung versehen, um die verschiedenen Umsetzungsreaktionen zu katalysieren. In Abhängigkeit von den Anforderungen und den zu katalysierenden Reaktionen, welche innerhalb des Katalysators zur Aufbereitung des Abgases ablaufen, weist der Katalysator unterschiedliche katalytische Beschichtungen auf.
Der vom Verbrennungsmotor 2 erzeugte Abgasstrom gelangt über den Abgaskanal 4 zur Ventileinheit 5. Befinden sich die Verschlussteile 15a, 15b der Ventileinheit 5 in der ersten Position 13, so wird der Abgasstrom, wenn er auf das erste Verschlussteil 15a trifft, abgeleitet und in den geöffneten Strömungseingang 11 geführt. Von dort aus gelangt er in den Katalysator 10, wo es, je nach Auslegung des Katalysators 10, zu chemischen Reaktionen der Stickoxide und Kohlenmonoxidanteile im Abgas und/oder zu einer Adsorption von Partikeln und Schwebteilen aus dem Abgas kommt. Nach einer Strömungsumkehr gelangt der nunmehr gereinigte Abgasstrom in den Strömungsausgang 12 der Ventileinheit 5 und von dort aus in den Abgaskanal 4.
Wie aus 3 ersichtlich ist sind der Strömungseingang 11 und der Strömungsausgang 12 durch eine Wandung 5a voneinander getrennt. Diese Wandung 5a ist vollständig als als unbewegliches Bauteil ausgebildet. Es besteht also weder in der ersten Position 13 noch in der zweiten Position 15 ein Durchgang zwischen Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12. Anders ausgedrückt bildet in der der ersten Position 13 keines der Verschlussteile 15a, 15b einen Teil der Wandung 5a. Während Verschlussteil 15b den Abgaskanal in der ersten Position 13 verschließt, kommt dem Verschlussteil 15a in der ersten Position 13 keine abdichtende Funktion zu. Das Verschlussteils 15a bleibt in der ersten Position 13 nachteiliger Weise ungenutzt.
4 zeigt eine Detailansicht der Anordnung der Ventileinheit 5 und der Abgasbehandlungseinrichtung 10 gemäß der Erfindung.
Gezeigt ist der Krümmer 4a als Ausgang des Verbrennungsmotors 2, in dessen unmittelbarer Nähe die Ventileinheit 5 im Abgasstrom 4 angeordnet ist.
Die Ventileinheit 5 weist einen Strömungseingang 11 und einen Strömungsausgang 12 auf.
Die Ventileinheit 5 gemäß der Erfindung verfügt, anders als im Falle der Ventileinheit gemäß dem Stand der Technik, nicht über zwei Verschlussteile 15a, 15b, welche über ein Verbindungselement 16 starr miteinander verbunden sind. Vielmehr ist die Ventileinheit 5 gemäß der Erfindung dahingehend ausgestaltet, dass das Verschlussteil 15' in der zweiten Position den Strömungseingang 11 und zugleich den Strömungsausgang 12 verschließt und in der ersten Position den Abgaskanal 4 verschließt.
Die Ventileinheit 5 kann mindestens zwei Positionen einnehmen, wobei in einer ersten Position (nicht gezeigt) das Verschlussteil 15' den Abgaskanal verschließt und das Verschlussteil 15' in einer zweiten Position 14 (gezeigt) den Strömungseingang 11 sowie gleichzeitig den Strömungsausgang 12 verschließt.
Da das Verschlussteil 15' in der zweiten Position 14 den Strömungseingang 11 und gleichzeitig den Strömungsausgang 12 verschließt und kein zusätzliches Verbindungselement aufweist, ist das Verschlussteil gemäß der hier gezeigten Ausführungsform bevorzugt einstückig ausgebildet. Anders ausgedrückt weist das Verschlussteil einen ersten Bereich, der den Strömungseingang 11 in der zweiten Position 14 verschließt, und einen zweiten Bereich auf, der den Strömungsausgang 12 in der zweiten Position verschließt, auf. In dem Bereich des Verschlussteils, welcher zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich liegt, ist das Verschlussteil 15' mit einer Achse 17 verbunden. Der erste Bereich und der zweite Bereich sowie der dazwischenliegende Bereich des Verbindungsteils 15', der mit der Achse 17 verbunden ist, sind einstückig ausgebildet, was dem Bauteil eine besondere Stabilität verleiht und zudem die Fertigung vereinfacht.
Bevorzugt ist das Verschlussteil 15' formschlüssig mit einer zentralen Achse 17 verbunden. Die Verbindung erfolgt bevorzugt durch eine Aufnahme in der Achse 17, in welche das Verbindungsteil 15' eingesetzt wird. Die Achse 17 ist drehbar innerhalb des Ventilschaftes gelagert. Achse 17 und Verschlussteil stehen dabei lotrecht zueinander.
Eine Rotation der Achse 17 führt somit zu einer Verlagerung der Position des Verschlussteils 15'. In dargestellter Ausführungsform führt eine Rotation der Achse 17 um 90° im mathematisch negativen Drehsinn von der hier dargestellten zweiten Position 14 der Ventileinheit 5, in welcher Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 zugleich durch ein und dasselbe Verschlussteil 15' verschlossen sind, zu der ersten Position (nicht dargestellt), in welcher der Bereich des Verschlussteils 15', welches zuvor den Strömungseingang 11 verschloss, den Abgaskanal 4 verschließt. Wird die Achse 17 erneut um 90° im mathematisch positivem Drehsinn gedreht, wird das Verschlussteil 15' erneut verlagert, sodass dieses dann den Abgaskanal 4 freigeben kann und Abgas vom Verbrennungsmotor durch die Ventileinheit 5 direkt zur Turbine fließen kann und gleichzeitig Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 verschlossen und somit für den Abgasstrom blockiert sind. Je nach Ausgestaltung des Abgaskanals 4 und der Anordnung von Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 können die von dem Verschlussteil 15' beschriebenen Kreissegmente auch andere Winkel im Bereich von 1 ° bis 180° beschreiben. Die Achse 17 kann mit einer nicht dargestellten Steuereinheit verbunden sein. Diese Steuereinheit kann weiter mit Sensoren 9 zur Bestimmung der Abgastemperatur beziehungsweise des Abgasdrucks beziehungsweise der Abgaszusammensetzung verbunden sein. Weist der Abgasstrom Temperaturen unterhalb der kritischen Temperatur von ca. 700°C auf, wird über die Steuereinheit die erste Position gewählt. Überschreitet die Temperatur des Abgasstroms jedoch die kritische Temperatur, so erfolgt eine Signalgebung an die Achse 17, welche infolgedessen um den erforderlichen Winkel, hier 90°, gedreht wird, und das Verschlussteil 15' wieder in die zweite Position 14 überführt.
In der Figur stellt das Verschlussteil eine Verschlussklappe dar. Es sind also im Wesentlichen keine zusätzlichen, nicht einstückig ausgebildeten, Elemente vorhanden. In einer anderen Ausführungsform kann die Verschlussklappe, die das einstückig ausgebildete Verschlussteil 15' umfasst, allerdings noch weitere Elemente umfassen, beispielsweise können in dem ersten Bereich des Verschlussteils 15', der den Strömungseingang 11 in der zweiten Position 14 verschließt, und/oder dem zweiten Bereich des Verschlussteils 15', der den Strömungsausgang 12 in der zweiten Position 14 verschließt, weitere abdichtende Elemente vorhanden sein. Auch können in dem Bereich des Verschlussteils 15', welcher zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich liegt und welcher das Verschlussteil 15' mit der Achse 17 verbindet, weitere Elemente vorhanden sein. Bevorzugt ist allerdings die dargestellte Ausführungsform, wonach die Verschlussklappe, die das einstückig ausgebildete Verschlussteil 15' umfasst, im Wesentlichen keine weitere Elemente umfasst, also insbesondere in dem ersten Bereich des Verschlussteils 15', der den Strömungseingang 11 in der zweiten Position 14 verschließt, und/oder dem zweiten Bereich des Verschlussteils 15', der den Strömungsausgang 12 in der zweiten Position 14 verschließt, keine weitere Elemente vorhanden sind. Weiter bevorzugt sind in dem Bereich des Verschlussteils 15', welcher zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich liegt und welcher das Verschlussteil 15' mit der Achse 17 verbindet, keine weitere Elemente vorhanden.
Der Ventilschaft ist an einem Punkt angeordnet, in dem Abgaskanal 4, Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 zusammengeführt werden. Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 sind parallel zueinander benachbart angeordnet und über eine Zwischenwand 5a, oder auch als Wandung bezeichnet, voneinander getrennt. Diese Trennung unterbindet einen Austausch des Fluids. Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 sind an zwei gegenüberliegenden Seiten offen ausgeführt, wobei eine Öffnung eine fluidführende Verbindung mit dem Abgaskanal 4 darstellt und die andere Öffnung eine fluidführende Verbindung zur Abgasbehandlungseinrichtung 10 ist. Der vom Verbrennungsmotor 2 erzeugte Abgasstrom gelangt über den Abgaskanal 4 zur Ventileinheit 5. Befindet sich das Verschlussteil 15' der Ventileinheit 5 in der ersten Position, so wird der Abgasstrom, wenn er auf das Verschlussteil 15' trifft, abgeleitet und in den geöffneten Strömungseingang 11 geführt. Von dort aus gelangt er in den Katalysator 10, wo es, je nach Auslegung des Katalysators 10, zu chemischen Reaktionen der Stickoxide und Kohlenmonoxidanteile im Abgas und/oder zu einer Adsorption von Partikeln und Schwebteilen aus dem Abgas kommt. Nach einer Strömungsumkehr gelangt der nunmehr gereinigte Abgasstrom in den Strömungsausgang 12 der Ventileinheit 5 und von dort aus in den Abgaskanal 4.
Wie beschreiben stehen der Strömungseingang 11 und der Strömungsausgang 12 in Gegenstromführung zueinander. Diese sind durch die Wandung 5a voneinander getrennt. Diese Wandung ist nur zum Teil als unbewegliches Bauteil ausgebildet. In der ersten Position (nicht gezeigt) bildet nämlich die Verschlussklappe mit Verschlussteil 15' in abdichtender Weise zumindest einen Teil der Wandung 5a. Damit wird ein Übertritt von Abgas zwischen Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 in der ersten Position verhindert. Anders ausgerückt bildet das Verschlussteil 15' den Teil der Wandung 5a' in dem Durchgang 5b zwischen Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12. Eine solche Bauweise ist besonders vorteilhaft insbesondere im Hinblick auf die Strömungsführung also auch aus konstruktiver Hinsicht. In der zweiten Position 14 ist das Verschlussteil 15' im Wesentlichen senkrecht zu der Anordnung in der ersten Position orientiert. Der Durchgang 5b zwischen Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 wird nun nicht mehr durch das Verschlussteil 15' verschlossen.
Die 5 zeigt detailliert eine Schnittdarstellung einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungseinrichtung 10. Während in der 1 eine Ausführungsform eines Katalysators der Abgasbehandlungseinrichtung 10 gezeigt wird, welcher auf einer Seite in einer Hinrichtung und auf einer zweiten Seite in einer Rückrichtung durchströmt wird, erfolgt in der Ausführungsform der 4 eine Durchströmung in einem inneren Bereich um die Hauptachse des Katalysators in Hin-Richtung und in einem äußeren Bereich, der konzentrisch um den inneren Bereich angeordnet ist, in Rück-Richtung. Der monolithische oder einteilige Katalysator 35 ist in üblicher Weise, insbesondere ebenso wie in der Ausführungsform der 1, getragen von einer Fasermatte 36 in einem Gehäuse 37 aufgenommen. Auf diese Weise ist eine Baueinheit gebildet. Der Katalysator 35 umfasst ein monolithisches Substrat. Das Abgas tritt entlang der Hauptachse durch die Zuleitungsöffnung 38 in den Abgaszuleitkanal 39 der Abgasbehandlungseinrichtung 10 ein. Der Abgaszuleitkanal 39 ist vom Abgasableitkanal 45 durch eine Trennwand 40 separiert. Die Trennwand 40 ist mittels einer Abstützung 41 am Gehäuse 37 gelagert oder aufgenommen. Die Trennwand 40 endet direkt am Katalysator 35 und liegt fluiddicht an dessen Stirnseite an. Dabei werden die Kanäle durch den Katalysator 35 in eine innenliegende erste Gruppe 42 und eine außenliegende zweite Gruppe 44 aufgeteilt. Das Abgas durchströmt den Katalysator 35 in Hin-Richtung durch die Kanäle der ersten Gruppe 42. Es gelangt in einen Umlenkraum 43. Die Wand des Gehäuses im Umlenkraum 43 bildet eine Umlenkungsvorrichtung für das Abgas, so dass dessen Strömungsrichtung geändert wird. Vom Umlenkraum 43 ausgehend durchströmt das Abgas den Katalysator im Wesentlichen antiparallel/entgegengesetzt in Rück-Richtung durch die Kanäle der zweiten Gruppe 44. Das Abgas gelangt in den Abgasableitkanal 45, welcher konzentrisch den Abgaszuleitkanal 39 umschließt und tritt durch die Ableitungsöffnung 46 aus der Abgasbehandlungseinrichtung 10 aus. Die Baueinheit weist auf einer Seite die Zuleitungsöffnung 38 und die Ableitungsöffnung 46 auf.
6 zeigt die Ventileinheit 5 aus 4 in einer Detaildarstellung. Der Strömungseingang 11 und der Strömungsausgang 12 stehen in Gegenstromführung zueinander. Diese sind durch die Wandung 5a voneinander getrennt. Die Wandung 5a ist nur zum Teil als unbewegliches Bauteil ausgebildet. In der der ersten Position 13 bildet nämlich die Verschlussklappe mit Verschlussteil 15' zumindest einen Teil 5a' der Wandung 5a. Damit wird ein Übertritt von Abgas zwischen Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 in der ersten Position 13 verhindert. Anders ausgerückt bildet das Verschlussteil 15' die Wandung 5a' in dem Durchgang 5b zwischen Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12. Eine solche Bauweise ist besonders vorteilhaft insbesondere im Hinblick auf die Strömungsführung also auch aus konstruktiver Hinsicht. In der zweiten Position 14 ist das Verschlussteil 15' im Wesentlichen senkrecht zu der Anordnung in der ersten Position 13 orientiert. Der Durchgang 5b zwischen Strömungseingang 11 und Strömungsausgang 12 wird nun nicht mehr durch das Verschlussteil 15' verschlossen. Das Verschlussteil 15' ist in bevorzugter Ausführung nach Art einer Strömungslippe gebildet, und weist in dem Bereich, der den Strömungseingang 11 verdeckt, eine Wölbung 15" auf. Eine solche Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft insbesondere im Hinblick auf die Strömungsführung.
Bezugszeichenliste

1: Abgassystem
2: Verbrennungsmotor
3: Turbine eines Turboladers
4: Abgaskanal
4a: Abgaskrümmer
4b: Bypass
5: Ventileinheit
5a: Wandung (5a)
5a': Wandungsbereich gebildet durch Verschlussteil/Verschlussklappe
5b: Durchgang
6: Dieseloxidationsfilter
7: Partikelfilter
8: Kompressor
9: Sensor
10: Abgasbehandlungseinrichtung/ Katalysator
11: Strömungseingang
12: Strömungsausgang
13: erste Position
14: zweite Position
15a: erster Verschlussabschnitt/erstes Verschlussteil
15b: zweiter Verschlussabschnitt/zweites Verschlussteil
15': Verschlussteil
15'': Verschlussteilform nach Art einer Strömungslippe
16: Verbindungselement gemäß Stand der Technik
17: Achse
18: Anschlussende
19: Anschlussstück
20: Ladeluftkühler
21: Temperatursensor
22: Drucksensor
23: Nockenwellensensor
24: Common-rail-Injektoren
25: VTG-Wegsensor
26: Lambdasonde
27: Abgasklappe
28: Kühlung für Niederdruck-Abgasrückführung (AGR)
29: Niederdruck-AGR-Ventil
30: Heißfilm-Anemometer
31: Luftfilter
32: Blow-by
33: Kurbelwellensensor
34: Regelklappe
35: Katalysator
36: Fasermatte
37: Gehäuse
38: Zuleitungsöffnung
39: Abgaszuleitkanal
40: Trennwand
41: Abstützung
42: erste Gruppe
43: Umlenkraum
44: zweite Gruppe
45: Abgasableitkanal
46: Ableitungsöffnung

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

WO 2014/020230 A1 [0005]
DE 102007017845 A1 [0006]
DE 19500501 A1 [0007]
EP 2977577 B1 [0009, 0010, 0011, 0012, 0013]

Claims

Abgassystem (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend: - einen einen Abgasstrom erzeugenden Verbrennungsmotor (2), - einen den Abgasstrom führenden Abgaskanal (4), - eine Turbine (3) als Teil eines Turboladers, die in dem Abgaskanal (4) angeordnet ist, - eine Abgasbehandlungseinrichtung (10), die in einem Bypass (4b) des Abgaskanals (4) stromauf der Turbine (3) angeordnet ist, sowie - eine Ventileinheit (5), die an einer Abzweigungsstelle des Seitenarms im Abgaskanal (4) angeordnet ist, wobei die Abgasbehandlungseinrichtung (10) über einen Strömungseingang (11) und einen Strömungsausgang (12) des Bypasses (4b) fluidführend mit dem Abgaskanal (4) verbunden ist, wobei in einer ersten Position (13) der Ventileinheit (5) der Abgaskanal (4) verschlossen und der Strömungsein- (11) und -ausgang (12) geöffnet sind und in einer zweiten Position (14) der Ventileinheit (5) der Abgaskanal (14) geöffnet und der Strömungsein- (11) und -ausgang (12) verschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinheit (5) eine drehbar gelagerte Verschlussklappe mit einem Verschlussteil (15') umfasst, wobei in der zweiten Position (14) das Verschlussteil (15') der Ventileinheit (5) den Strömungseingang (11) und gleichzeitig den Strömungsausgang (12) verschließt und das Verschlussteil (15') in der ersten Position (13) den Abgaskanal (4) verschließt.
Abgassystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungseingang (11) und der Strömungsausgang (12) in Gegenstromführung zueinander in dem Bypass (4b) geführt sind und in der ersten Position (13) durch eine Wandung (5a) voneinander getrennt sind, wobei die Verschlussklappe mit Verschlussteil (15') bevorzugt die Wandung (5a) zumindest teilweise bildet (5a') und damit einen Übertritt von Abgas zwischen Strömungseingang (11) und Strömungsausgang (12) in der ersten Position (13) verhindert.
Abgassystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussteil (15') einen ersten Bereich aufweist, der in der zweiten Position (14) der Ventileinheit (5) den Strömungseingang (11) verschließt und einen zweiten Bereich aufweist, der in der zweiten Position (14) den Strömungsausgang (12) verschließt und das Verschlussteil in der ersten Position (13) den Abgaskanal (4) verschließt, wobei das Verschlussteil (15') einstückig ausgebildet ist und der erste Bereich und der zweite Bereich nicht über ein zusätzliches Verbindungselement (16) miteinander verbunden sind.
Abgassystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussteil (15') formschlüssig in einer Aussparung einer Drehachse (17) angeordnet ist.
Abgassystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussteil (15') einen rechteckigen Querschnitt senkrecht zum Abgasfluss in der zweiten Position (14) aufweist.
Abgassystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussteil (15') einen rechteckigen Querschnitt parallel zum Abgasfluss in der zweiten Position (14) aufweist.
Abgassystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasbehandlungseinrichtung (10) wenigstens einen Katalysator (35) in einer Baueinheit mit einer Seite, welche eine Zuleitungsöffnung (38) für Abgas in die Baueinheit und eine Ableitungsöffnung (46) für Abgas aus der Baueinheit aufweist, und der Katalysator (38) ein monolithisches Substrat umfasst und eine erste Gruppe (42) von Kanälen durch das Substrat in einer ersten Strömungsrichtung durchströmbar und eine zweite Gruppe (44) von Kanälen durch das Substrat in einer zweiten, von der ersten verschiedenen Strömungsrichtung durchströmbar in der Baueinheit angeordnet sind.
Abgassystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe (42) von Kanälen durch das Substrat stromaufwärts von der zweiten Gruppe (44) von Kanälen durch das Substrat liegt.
Abgassystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe (42) von Kanälen durch das Substrat stromaufwärts von der zweiten Gruppe (44) von Kanälen durch das Substrat liegt und in der Baueinheit ein Abgaszuleitkanal (39) von der Zuleitungsöffnung (38) zur ersten Gruppe (42) von Kanälen durch das Substrat führt und/oder ein Abgasableitkanal (45) von der zweiten Gruppe (42) von Kanälen durch das Substrat zur Ableitungsöffnung (46) führt.
Kraftfahrzeug aufweisend ein Abgassystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.