DE102019121991A1

DE102019121991A1 - Abgasanlage für ein Fahrzeug sowie Fahrzeug umfassend eine solche

Info

Publication number: DE102019121991A1
Application number: DE102019121991.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Bunkus; Stephan Kellner
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: DE102019121991B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage 40 sowie ein Fahrzeug umfassend eine solche. Es ist dabei vorgesehen, dass ein elektrisch beheizbarer Katalysator 68, 70 stromaufwärts eines SCR-Katalysators 50, 52 und stromabwärts eines Abgasmischers 67, 69 angeordnet ist, um die Wärmeübertragung 5, 6 des elektrisch beheizbaren Katalysators 68, 70 auf den Abgasmischer und den SCR-Katalysator 50, 52 zu optimieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Abgasanlage, wobei die Abgasanlage geeignet ist zur Abgasnachbehandlung.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen StickoxidEmissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator oder einen NOx-Speicherkatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
Aus dem Stand der Technik sind Abgasnachbehandlungssysteme bekannt, welche einen SCR-Katalysator und/oder einen Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung aufweisen. Der Partikelfilter mit der SCR-Beschichtung und/oder der SCR-Katalysator kann nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors mittels eines beheizbaren Katalysators schneller auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt werden und somit zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors für eine effiziente Konvertierung der Stickoxidemissionen genutzt werden.
DE 10 2008 013 777 B4 offenbart eine Abgasanlage umfassend: ein Heizelement, das stromabwärts einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und das Wärmeenergie in ein Abgas der Brennkraftmaschine einleitet.
DE 10 2017 113 712 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor. Dabei ist stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet, welchem unmittelbar ein elektrisch beheizbarer Katalysator nachgeschaltet ist.
DE 10 2017 117 209 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung eines Abgasbehandlungssystems. Das Abgasbehandlungssystem beinhaltet einen Abgasstrom, der von einer Abgasquelle zu einer selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung und einer Partikelfiltervorrichtung befördert wird.
Üblicherweise wird der beheizbare Katalysator stromauf eines SCR-Katalysators und eines Mischers angeordnet. Der Mischer dient dazu, die eingespritzte Reduktionsmittellösung mit dem Abgas zu vermengen.
Es wurde allerdings gefunden, dass die Beheizung des Katalysators mitunter nicht ausreichend ist und damit die Konvertierungsleistung des SCR-Katalysators und/oder des Partikelfilters mit einer SCR-Beschichtung nicht optimal und energieeffizient genutzt werden kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine konstruktive Maßnahme aufzufinden, um die Beheizung eines Katalysatorsystems zu verbessen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Abgasanlage für ein Fahrzeug beschrieben, wobei die Abgasanlage aufweist:

- wenigstens einen Partikelfilter mit SCR-Beschichtung und/oder einen SCR-Katalysator;
- wenigstens einen Abgasmischer; und
- wenigstens einen elektrisch beheizbaren Katalysator;

Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Abgasmischer kann eine homogene Verteilung des Reduktionsmittels im Abgasstrom vor Eintritt in den beschichteten Partikelfilter/SCR-Katalysator erreicht werden.
Dem Fachmann ist der Einsatz von elektrisch beheizbaren Katalysatoren zur schnelleren Erwärmung der Komponenten zur Abgasnachbehandlung bekannt. Für eine ausreichende mechanische Stabilität können die Heizscheiben der elektrisch beheizbaren Katalysatoren mit einem Stützkatalysator verstiftet sein. Diese Einheit kann in einer Ausführungsform als Oxidationskatalysator ausgebildet sein, wobei der elektrisch beheizbare Katalysator vor oder hinter dem Stützkatalysator angeordnet ist. Sowohl der elektrisch beheizbare Oxidationskatalysator als auch der Stützkatalysator werden dabei vorzugsweise als Metallkatalysatoren ausgeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbare Katalysator eine Edelmetallbeschichtung, insbesondere Platin-, Palladium- oder Rhodiumbeschichtung aufweist und/oder mit einer Beschichtung als Hydrolysekatalysator, insbesondere mit einer Titandioxidbeschichtung, versehen ist.
Gemäß der Erfindung wird Wärme vom beheizbaren Katalysator mittels Wärmestrahlung auf den stromaufwärts angeordneten Abgasmischer übertragen. Da der beheizbare Katalysator stromaufwärts zum beschichteten Partikelfilter/SCR-Katalysator gelegen ist, gelangt Wärme sowohl mittels Wärmestrahlung also auch mittels Konvektion vom beheizbaren Katalysator direkt zum beschichteten Partikelfilter/SCR-Katalysator. Insgesamt erlaubt die erfindungsgemäße Anordnung, dass die auf den Katalysator als auch auf den Mischer übertragene Wärmemenge optimiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Abgasanlage für ein Fahrzeug beschrieben, wobei der elektrisch beheizbare Katalysator unmittelbar stromabwärts des Abgasmischers angeordnet ist.
Unmittelbar stromabwärts bedeutet in diesem Zusammenhang, dass im Wesentlichen keine anderen zur Abgasreinigung wesentlichen Bauteile zwischen dem elektrisch beheizbaren Katalysator und dem Abgasmischer angeordnet sind.
So kann vorteilhafterweise bewirkt werden, dass Wärme vom beheizbaren Katalysator mittels Wärmestrahlung auf den stromaufwärts angeordneten Abgasmischer übertragen wird. Die auf den Mischer übertragene Wärmemenge wird damit optimiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Partikelfilter mit SCR-Beschichtung beziehungsweise der SCR-Katalysator und der wenigstens eine Abgasmischer und der wenigstens eine elektrisch beheizbare Katalysator linear in Reihe hintereinander angeordnet. Dies optimiert wiederum die Wärmeübertragung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Abgasanlage für ein Fahrzeug beschrieben, wobei der elektrisch beheizbare Katalysator unmittelbar stromaufwärts des Partikelfilters mit SCR-Beschichtung beziehungsweise des SCR-Katalysators angeordnet ist.
Unmittelbar stromabwärts bedeutet in diesem Zusammenhang, dass im Wesentlichen keine anderen zur Abgasreinigung wesentlichen Bauteile zwischen dem elektrisch beheizbaren Katalysator und dem Partikelfilter mit SCR-Beschichtung beziehungsweise dem SCR-Katalysator angeordnet sind. Insbesondere ist kein Abgasmischer zwischen dem elektrisch beheizbaren Katalysator und Partikelfilter mit SCR-Beschichtung beziehungsweise dem SCR-Katalysator angeordnet
So kann vorteilhafterweise bewirkt werden, dass Wärme mittels Wärmestrahlung und Konvektion vom beheizbaren Katalysator direkt zum beschichteten Partikelfilter/SCR-Katalysator gelangt. Die auf den Katalysator übertragene Wärmemenge wird damit optimiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Abgasanlage für ein Fahrzeug beschrieben, wobei der elektrisch beheizbare Katalysator so ausgebildet und angeordnet ist, dass der Partikelfilter mit SCR-Beschichtung beziehungsweise der SCR-Katalysator mittels Wärmestrahlung und/oder Konvektionswärme des Abgases erwärmbar ist.
Um dies zu erreichen, kann die Übertragung von Wärmestrahlung und Abgaswärme optimiert werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass, wie bereits beschrieben, der elektrisch beheizbare Katalysator unmittelbar stromaufwärts des Partikelfilters mit SCR-Beschichtung beziehungsweise des SCR-Katalysators angeordnet ist. So kann vorteilhafterweise bewirkt werden, dass Wärme mittels Wärmestrahlung und Konvektion vom beheizbaren Katalysator direkt zum beschichteten Partikelfilter/SCR-Katalysator gelangt.
Ferner kann die Übertragung von Wärme mittels Wärmestrahlung dadurch optimiert werden, dass Materialen von Bauteilen, die den Strahlungsweg versperren, verwendet werden, die Wärmestrahlung wenig absorbieren und/oder streuen, um zu verhindern, dass Wärmestrahlung, bevor diese zum Partikelfilter mit SCR-Beschichtung beziehungsweise SCR-Katalysator gelangt, absorbiert wird. Die auf den Katalysator übertragene Wärmemenge wird damit optimiert.
Anderseits kann die Übertragung von Wärme mittels Wärmestrahlung dadurch optimiert werden, dass für den Partikelfilter mit SCR-Beschichtung beziehungsweise SCR-Katalysator, beispielsweise dessen Gehäuse, Materialen verwendet werden, die Wärmestrahlung besonders gut absorbieren. Die auf den Katalysator übertragene Wärmemenge wird damit optimiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Abgasanlage für ein Fahrzeug beschrieben, wobei der elektrisch beheizbare Katalysator so ausgebildet und angeordnet ist, dass der Abgasmischer mittels Wärmestrahlung, die von dem beheizbaren Katalysator im Betrieb abgestrahlt wird, erwärmbar ist.
Um dies zu erreichen, kann die Übertragung von Wärmestrahlung optimiert werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass, wie bereits beschrieben, der elektrisch beheizbare Katalysator unmittelbar stromabwärts des Abgasmischers angeordnet ist. So kann vorteilhafterweise bewirkt werden, dass Wärme mittels Strahlung direkt zum stromaufwärts gelegenen Mischer gelangt.
Ferner kann die Übertragung von Wärme mittels Wärmestrahlung dadurch optimiert werden, dass Materialen verwendet werden, die Wärmestrahlung wenig absorbieren, um zu verhindern, dass Wärmestrahlung, bevor diese zum Partikelfilter mit SCR-Beschichtung beziehungsweise SCR-Katalysator gelangt, absorbiert wird. Die auf den Abgasmischer übertragene Wärmemenge wird damit optimiert.
Anderseits kann die Übertragung von Wärme mittels Wärmestrahlung dadurch optimiert werden, dass für den Abgasmischer Materialen verwendet werden, die Wärmestrahlung besonders gut absorbieren. Die auf den Abgasmischer übertragene Wärmemenge wird damit optimiert.
Unmittelbar stromabwärts bedeutet in diesem Zusammenhang, dass im Wesentlichen keine anderen zur Abgasreinigung wesentlichen Bauteile zwischen dem elektrisch beheizbaren Katalysator und dem Partikelfilter mit SCR-Beschichtung beziehungsweise dem SCR-Katalysator angeordnet sind. Insbesondere ist kein Abgasmischer zwischen dem elektrisch beheizbaren Katalysator und dem Partikelfilter mit SCR-Beschichtung beziehungsweise dem SCR-Katalysator angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Abgasanlage für ein Fahrzeug beschrieben, wobei der elektrisch beheizbare Katalysator den Abgasmischer auf eine Temperatur von wenigstens 100°C, bevorzugt wenigstens 130° und weiter bevorzugt wenigstens 150°C erhitzen kann.
Hierdurch wird vorteilhafterweise ein Verdampfen der Reduktionsmittellösung im Abgasmischer ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Abgasanlage für ein Fahrzeug beschrieben, wobei der elektrisch beheizbare Katalysator eine Leistung von wenigstens 1,8 kW, bevorzugt wenigstens 2,3 kW, besonders bevorzugt wenigstens 3,0 kW aufweist.
Es hat sich gezeigt, dass die genannten Werte für die Leistung des beheizbaren Katalysators eine ausreichende Erwärmung der maßgeblichen Bauteile ermöglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Abgasanlage für ein Fahrzeug beschrieben, wobei die Abgasanlage wenigstens ein Dosierelement aufweist zur Einbringung einer Reduktionsmittellösung in den Abgasstrom.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Abgasanlage für ein Fahrzeug beschrieben, wobei das Dosierelement stromaufwärts des Abgasmischers angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Abgasanlage für ein Fahrzeug beschrieben, wobei die Abgasanlage ferner aufweist:

- wenigstens einen weiteren Partikelfilter mit SCR-Beschichtung und/oder einen weiteren SCR-Katalysator;
- wenigstens einen weiteren Abgasmischer; und
- wenigstens einen weiteren elektrisch beheizbaren Katalysator;

Die erfindungsgemäße Anordnung kann somit auch mehrfach in einer Abgasanlage vorliegen. Ein zweites Dosierelement kann dabei vorgesehen sein. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das erste Dosierelement und das zweite Dosierelement aus einem gemeinsamen Reduktionsmittelbehälter mit Reduktionsmittel versorgt werden. Durch einen gemeinsamen Reduktionsmittelbehälter ist eine besonders einfache und kostengünstige Versorgung der beiden Dosierelemente mit dem Reduktionsmittel möglich.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug beschrieben, aufweisend eine Abgasanlage.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:

1 eine Anordnung von beheizbarem Katalysator, Mischer und SCR innerhalb einer Abgasanlage gemäß der Erfindung,
2 einen Verbrennungsmotor und eine erfindungsgemäße Abgasanlage,
3a den Wärmefluss bei Anordnung von beheizbarem Katalysator zu Mischer und SCR innerhalb einer Abgasanlage gemäß dem Stand der Technik, und
3b Wärmefluss bei Anordnung von beheizbarem Katalysator zu Mischer und SCR innerhalb einer Abgasanlage gemäß der Erfindung.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung von beheizbarem Katalysator, Mischer und SCR in einer Ausführungsform.
Der gereinigte (ausgehende) Abgasstrom ist mit Bezugszeichen 3 bezeichnet. Der ungereinigte (eingehende) Abgasstrom ist mit Bezugszeichen 1 bezeichnet.
Stromaufwärts zum ersten beschichteten Partikelfilter/SCR-Katalysator 50, 52 ist ein beheizbarer Katalysator 68, 70 angeordnet. Der beheizbare Katalysator 68, 70 ist stromabwärts zum Abgasmischer 67, 69 angeordnet.
Ferner ist stromaufwärts zum Abgasmischer 67, 69 ein Dosierelement 56, 58 vorgesehen, um Reduktionsmittellösung in den Abgasstrom einzudosieren.
Diese Anordnung ermöglicht einerseits eine platzsparende Anordnung der für die SCR Reaktion relevanten Bauteile, anderseits aber auch die Erwärmung dieser Bauteile auf die erforderliche Temperatur.
Die vom Verbrennungsmotor abgegebenen Abgase 1 können daher mittels der erfindungsgemäßen Anordnung von beheizbarem Katalysator, Mischer und SCR wirksam gereinigt werden. Die Menge an Abgasen im ausgehenden Abgasstrom 3 ist gegenüber dem eingehenden Abgasstrom 1 deutlich vermindert.
2 zeigt einen Fahrzeugmotor mit einem Verbrennungsmotor 10, einem Luftversorgungssystem 20 und eine Abgasanlage 40 gemäß der Erfindung. 2 zeigt, wie die erfindungsgemäße Anordnung von beheizbarem Katalysator zu Mischer und SCR - wie diese zu 1 beschrieben worden ist -, im Sinne eines konstruktiven Gesamtkonzeptes in einer Abgasanlage 40 zusammen mit einem Verbrennungsmotor 10 umgesetzt werden kann.
Der Verbrennungsmotor 10 ist als ein direkteinspritzender Dieselmotor ausgeführt und weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ferner eine Hochdruck-Abgasrückführung mit einem Hochdruck-Abgasrückführungsventil, über welches ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 18 zum Einlass 16 zurückgeführt werden kann. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 40 geöffnet oder verschlossen werden kann.
Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 28, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 28 ein Luftfilter 22, stromabwärts des Luftfilters 22 ein Luftmassenmesser 24, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers 24 ein Verdichter 26 eines Abgasturboladers 36, stromabwärts des Verdichters 26 eine Drosselklappe 30 und weiter stromabwärts ein Ladeluftkühler 32 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser 24 auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 22 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 22 und der Luftmassenmesser 24 eine Baugruppe ausbildet. Stromabwärts des Luftfilters 22 und stromaufwärts des Verdichters 26 ist eine Einmündung 34 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruck-Abgasrückführung 80 in den Ansaugkanal 28 mündet.
Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den ersten Abgaskanal 42 eine Turbine 44 des Abgasturboladers 36 angeordnet ist, welche den Verdichter 26 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 36 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 36 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 44 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 44 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 44 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein Oxidationskatalysator 46 oder ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 oder des NOx-Speicherkatalysators ist ein Partikelfilter 48 mit einer Beschichtung 50 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 48 ist vorzugsweise in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges ein zweiter SCR-Katalysator 52 im Abgaskanal 42 angeordnet. Der zweite SCR-Katalysator 52 weist einen Ammoniak-Sperrkatalysator 54 auf. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 und stromaufwärts des Partikelfilters 48 mit der SCR-Beschichtung 50 ist ein erstes Dosierelement 56 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels 78 in den Abgaskanal 42 vorgesehen. Stromabwärts des Partikelfilters 48 zweigt eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruck-Abgasrückführung 80 an einer Verzweigung 72 aus dem Abgaskanal 42 ab. Stromabwärts der Verzweigung 72 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 52 ist ein zweites Dosierelement 58 angeordnet, um das Reduktionsmittel 78 in den Abgaskanal 42 einzudosieren. Das erste Dosierelement 56 und das zweite Dosierelement 58 sind jeweils über eine Reduktionsmittelleitung 74 mit einem gemeinsamen Reduktionsmittelbehälter 76 verbunden, in welchem das Reduktionsmittel 78 bevorratet ist. Ferner umfasst die Abgasanlage 40 eine Abgasklappe 60, mit welcher die Abgasrückführung über die Niederdruck-Abgasrückführung 80 gesteuert werden kann.
Die Abgasrückführung 80 umfasst neben der Abgasrückführungsleitung 86 einen Abgasrückführungskühler 82 und ein Abgasrückführungsventil 84, über welches die Abgasrückführung durch die Abgasrückführungsleitung 86 steuerbar ist. An der Abgasrückführungsleitung 86 der Abgasrückführung 80 ist ein Temperatursensor 88 vorgesehen, über welchen eine Abgastemperatur in der Abgasrückführung 80 ermittelt werden kann, um die Abgasrückführung 80 zu aktivieren, sobald die Abgastemperatur in der Abgasrückführung 80 einen definierten Schwellenwert überschritten hat. Somit kann verhindert werden, dass Wasserdampf oder im Abgas enthaltenes Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere flüssige Harnstofflösung, auskondensiert und in der Abgasrückführung 80 oder im Luftversorgungssystem 20 zu Beschädigungen oder Ablagerungen führt. Stromabwärts der Verzweigung und stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers 82 kann ein Filter vorgesehen werden, um den Eintrag von Partikeln in die Abgasrückführung 80 zu minimieren. Der Abgasrückführungskanal 86 mündet an einer Einmündung 34 in die Ansaugleitung 28 des Luftversorgungssystems 20.
In der Abgasanlage 40 ist stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 und stromaufwärts des ersten Dosierelements 56 ein erster NOx-Sensor 62 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 48 und stromaufwärts der Verzweigung 72 ist ein zweiter NOx-Sensor 64 angeordnet. Ferner weist der Partikelfilter 48 einen Differenzdrucksensor 66 auf, mit welchem eine Druckdifferenz Δp über den Partikelfilter 48 ermittelt wird. Auf diese Weise kann der Beladungszustand des Partikelfilters 52 ermittelt und bei Überschreiten eines definierten Beladungsniveaus eine Regeneration des Partikelfilters 52 eingeleitet werden. Ferner ist in der Abgasanlage 40 ein Temperatursensor 38 vorgesehen, um die Abgastemperatur zu ermitteln.
Stromabwärts des ersten Dosierelements 56 und stromaufwärts des Partikelfilters 48 ist ein erster Abgasmischer 67 vorgesehen, um eine Durchmischung von Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 und Reduktionsmittel 78 vor Eintritt in den Partikelfilter 48 mit der SCR-Beschichtung 50 zu verbessern und die Länge der Mischstrecke zu verkürzen. Stromabwärts des zweiten Dosierelements 58 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 52 ist ein zweiter Abgasmischer 69 angeordnet, um die Vermischung von Abgasstrom und Reduktionsmittel 78 zu verbessern und das Verdampfen des Reduktionsmittels 78 im Abgaskanal 42 zu unterstützen.
Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 90 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit den NOx-Sensoren 62, 64, dem Differenzdrucksensor 66, den Temperatursensoren 38, 88 sowie mit den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Dosierelementen 56, 58 verbunden ist.
Stromaufwärts zum ersten beschichteten Partikelfilter/SCR-Katalysator 50 ist ein erster beheizbarer Katalysator 68 angeordnet. Der erste beheizbare Katalysator 68 ist stromabwärts zum ersten Abgasmischer 67 angeordnet.
Stromaufwärts zum zweiten beschichteten Partikelfilter/SCR-Katalysator 52 ist ein zweiter beheizbarer Katalysator 70 angeordnet. Der beheizbare Katalysator 70 ist stromabwärts zum zweiten Abgasmischer 69 angeordnet.
3a zeigt schematisch den Wärmefluss bei einer Anordnung von beheizbarem Katalysator zu Mischer und SCR gemäß dem Stand der Technik.
Stromaufwärts zum beschichteten Partikelfilter/SCR-Katalysator 50, 52 ist ein elektrisch beheizbarer Katalysator 68, 70 angeordnet. Anders als in der erfindungsgemäßen Anordnung ist der beheizbare Katalysator 68, 70 stromaufwärts zu einem Abgasmischer 67, 69 angeordnet. Ein stromaufwärts zum Abgasmischer 67, 69 angeordnetes Dosierelement, um Reduktionsmittellösung in den Abgasstrom einzudosieren, ist nicht gezeigt.
Die Wärmeübertragung mittels Wärmestrahlung ist mit den Pfeilen 5 gezeigt. Die Wärmeübertragung mittels Abgasstrom (Konvektion) ist mit den Pfeilen 6 gezeigt.
Wärme wird vom beheizbaren Katalysator 68, 70 mittels Wärmestrahlung 5 oder mittels Konvektion 6 zunächst auf den stromabwärts angeordneten Abgasmischer 67, 69 übertragen. Durch den zwischengeschalten Abgasmischer 67, 69 gelangt weniger Wärme vom beheizbaren Katalysator 68, 70, sei es in Form von Wärmestrahlung 5 oder mittels Konvektion 6, zum beschichteten Partikelfilter/SCR-Katalysator 50, 52, was in 3a durch die kürzeren Pfeile angedeutet ist.
3b zeigt den Wärmefluss bei einer Anordnung von beheizbarem Katalysator zu Mischer und SCR gemäß der Erfindung.
Die Anordnung von beheizbarem Katalysator, Mischer und SCR entspricht der in 1 gezeigten Ausführungsform. Stromaufwärts zum beschichteten Partikelfilter/SCR-Katalysator 50, 52 ist ein elektrisch beheizbarer Katalysator 68, 70 angeordnet. Der beheizbare Katalysator 68, 70 ist stromabwärts zu einem Abgasmischer 67, 69 angeordnet - anders also als in der Anordnung gemäß dem Stand der Technik nach 3a. Ein stromaufwärts zum Abgasmischer 67, 69 angeordnetes Dosierelement, um Reduktionsmittellösung in den Abgasstrom einzudosieren, ist nicht gezeigt.
Diese Anordnung ermöglicht einerseits eine platzsparende Anordnung der für die SCR Reaktion relevanten Bauteile, anderseits aber auch die Erwärmung dieser Bauteile auf die erforderliche Temperatur.
Die Wärmeübertragung mittels Wärmestrahlung ist mit den Pfeilen 5 gezeigt. Die Wärmeübertragung mittels Abgasstrom (Konvektion) ist mit den Pfeilen 6 gezeigt.
Wärme wird vom beheizbaren Katalysator 68, 70 mittels Wärmestrahlung 5 auf den stromaufwärts angeordneten Abgasmischer 67, 69 übertragen.
Da der beheizbare Katalysator 68, 70, stromaufwärts gelegen ist, gelangt Wärme mittels Wärmestrahlung 5 und Konvektion 6 vom beheizbaren Katalysator 68, 70, direkt zum beschichteten Partikelfilter/SCR-Katalysator 50, 52. Die auf den Katalysator übertragene Wärmemenge ist damit größer, was durch die längeren Pfeile angedeutet ist.
Der Katalysator wird effizient auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt. Die vom Verbrennungsmotor abgegebenen Abgase 1 können daher mittels der erfindungsgemäßen Anordnung von beheizbarem Katalysator, Mischer und SCR wirksam gereinigt werden. Die Menge an Abgasen im ausgehenden Abgasstrom 3 ist gegenüber dem eingehenden Abgasstrom 1 deutlich vermindert.
Bezugszeichenliste

1: Abgaseingangsstrom
3: gereinigtes Abgas
5: Wärmeübertragung mittels Wärmestrahlung
6: Wärmeübertragung mittels Abgasstrom
10: Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Kraftstoffinjektor
16: Einlass
18: Auslass
20: Luftversorgungsystem
22: Luftfilter
24: Luftmassenmesser
26: Verdichter
28: Ansaugkanal
30: Drosselklappe
32: Ladeluftkühler
34: Einmündung
36: Abgasturbolader
38: Temperatursensor
40: Abgasanlage
42: Abgaskanal
44: Turbine
46: Oxidationskatalysator / NOx-Speicherkatalysator
48: Partikelfilter
50: erster SCR Katalysator beziehungsweise SCR Beschichtung von Partikelfilter
52: zweiter SCR-Katalysator
54: Ammoniak-Sperrkatalysator
56: erstes Dosierelement
58: zweites Dosierelement
60: Abgasklappe
62: erster NOx-Sensor
64: zweiter NOx-Sensor
66: Differenzdrucksensor
67: erster Abgasmischer
68: erster beheizbarer Katalysator
69: zweiter Abgasmischer
70: zweiter beheizbarer Katalysator
72: Verzweigung
74: Reduktionsmittelleitung
76: Reduktionsmittelbehälter
78: Reduktionsmittel
80: Niederdruck-Abgasrückführung
82: Abgasrückführungskühler
84: Abgasrückführungsventil
86: Abgasrückführungsleitung
88: Temperatursensor
90: Motorsteuergerät

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008013777 B4 [0004]
DE 102017113712 A1 [0005]
DE 102017117209 A1 [0006]

Claims

Abgasanlage (40) für ein Fahrzeug aufweisend: - wenigstens einen Partikelfilter mit SCR-Beschichtung und/oder einen SCR-Katalysator (50); - wenigstens einen Abgasmischer (67); und - wenigstens einen elektrisch beheizbaren Katalysator (68); wobei der wenigstens eine Abgasmischer (67) stromaufwärts des Partikelfilters mit SCR Beschichtung beziehungsweise des SCR-Katalysators (50) angeordnet ist; und dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizbare Katalysator (68) stromaufwärts des Partikelfilters mit SCR-Beschichtung beziehungsweise des SCR-Katalysators (50) angeordnet ist und stromabwärts des Abgasmischers (67) angeordnet ist.
Abgasanlage (40) für ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizbare Katalysator (68) unmittelbar stromabwärts des Abgasmischers (67) angeordnet ist.
Abgasanlage (40) für ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizbare Katalysator (68) so ausgebildet und angeordnet ist, dass der Partikelfilter mit SCR-Beschichtung beziehungsweise der SCR-Katalysator (50) mittels Wärmestrahlung (5) und/oder Konvektionswärme (6) des Abgases erwärmbar ist.
Abgasanlage (40) für ein Fahrzeug gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizbare Katalysator (68) so ausgebildet und angeordnet ist, dass der Abgasmischer (67) mittels Wärmestrahlung (5), die von dem beheizbaren Katalysator (68) im Betrieb abgestrahlt wird, erwärmbar ist.
Abgasanlage (40) für ein Fahrzeug gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizbare Katalysator (68) den Abgasmischer (67) auf eine Temperatur von wenigstens 100°C, bevorzugt wenigstens 130° und weiter bevorzugt wenigstens 150°C erhitzen kann.
Abgasanlage (40) für ein Fahrzeug gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizbare Katalysator (68) eine Leistung von wenigstens 1,8kW, bevorzugt wenigstens 2,3 kW, besonders bevorzugt wenigstens 3,0 kW aufweist.
Abgasanlage (40) für ein Fahrzeug gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (40) wenigstens ein Dosierelement (56) aufweist zur Einbringung einer Reduktionsmittellösung in den Abgasstrom.
Abgasanlage (40) für ein Fahrzeug gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierelement (56) stromaufwärts des Abgasmischers (56) angeordnet ist.
Abgasanlage (40) für ein Fahrzeug gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (40) ferner aufweist: - wenigstens einen weiteren Partikelfilter mit SCR-Beschichtung und/oder einen weiteren SCR-Katalysator (52); - wenigstens einen weiteren Abgasmischer (69); und - wenigstens einen weiteren elektrisch beheizbaren Katalysator (70); wobei der wenigstens eine weitere Abgasmischer (69) stromaufwärts des wenigstens einen weiteren Partikelfilters mit SCR-Beschichtung beziehungsweise des wenigstens einen weiteren SCR-Katalysators (52) angeordnet ist; und dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizbare Katalysator (70) stromaufwärts des wenigstens einen weiteren Partikelfilters mit SCR-Beschichtung beziehungsweise des wenigstens einen weiteren SCR-Katalysators (52) angeordnet ist und stromabwärts des wenigstens einen weiteren Abgasmischers (69) angeordnet ist.
Fahrzeug aufweisend eine Abgasanlage (40) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.