DE102019122921B4 - Catalyst arrangement and exhaust aftertreatment system with such a catalyst arrangement - Google Patents
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Abstract
Katalysatoranordnung (52), umfassend ein Abgaskanalsegment (54), in welchem ein elektrisch beheizbarer Katalysator (28) und in Strömungsrichtung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors (10) durch das Abgaskanalsegment (54) stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators (28) ein Katalysator (32) angeordnet sind, sowie mit einem stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators (28) angeordneten Sensor (40), wobei stromabwärts des Sensors (40) und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators (28) ein Abschirmelement (42) angeordnet ist, welches eine Wärmeübertragung mittels Wärmestrahlung von dem elektrisch beheizbaren Katalysator (28) auf den Sensor (40) reduziert oder vermeidet, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (42) eine Katalysatorscheibe (44) mit einer Dicke von 5 mm bis 35 mm umfasst oder ist.Catalyst arrangement (52), comprising an exhaust gas channel segment (54), in which an electrically heatable catalyst (28) and in the flow direction of an exhaust gas stream of an internal combustion engine (10) through the exhaust gas channel segment (54) downstream of the electrically heatable catalyst (28) a catalyst (32) are arranged, and with a sensor (40) arranged upstream of the electrically heatable catalytic converter (28), with a shielding element (42) being arranged downstream of the sensor (40) and upstream of the electrically heatable catalytic converter (28), which enables heat transfer by means of thermal radiation from the electrically heatable catalytic converter (28) on the sensor (40) is reduced or avoided, characterized in that the shielding element (42) comprises or is a catalytic converter disc (44) with a thickness of 5 mm to 35 mm.
Description
Die Erfindung betrifft eine Katalysatoranordnung in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors sowie ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer solchen Katalysatoranordnung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a catalytic converter arrangement in an exhaust system of an internal combustion engine and an exhaust gas aftertreatment system for an internal combustion engine with such a catalytic converter arrangement according to the preamble of the independent patent claims.
Die kontinuierliche Verschärfung der Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die Fahrzeughersteller, welche durch entsprechende Maßnahmen zur Reduktion der motorischen Rohemissionen und durch eine entsprechende Abgasnachbehandlung gelöst werden. Um die nicht vollständig vermeidbaren Rohemissionen effektiv nachmotorisch umsetzen zu können, werden in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors mit Edelmetall beschichtete Katalysatoren verbaut. Damit diese Katalysatoren die Schadstoffe umsetzen können, ist ein minimales Temperaturniveau des Abgases und des Katalysators notwendig. Um den Katalysator nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur zu bringen, werden motorische Heizmaßnahmen wie eine Verstellung des Zündwinkels oder der Kraftstoffeinspritzung in Richtung „spät“ oder ein unterstöchiometrischer Betrieb des Verbrennungsmotors unter gleichzeitiger Einbringung von Sekundärluft genutzt. Um noch mehr Wärmeenergie gezielt in die Abgasanlage einzubringen, ist es möglich, den Katalysator elektrisch zu beheizen oder an der Abgasanlage einen zuschaltbaren Abgasbrenner zu installieren, um heißes Abgas in die Abgasanlage einzuleiten und die in der Abgasanlage angeordneten Abgasnachbehandlungskomponenten unabhängig vom Verbrennungsmotor zu erwärmen. Dadurch können die Emissionen bereits in der Heizphase des Katalysators deutlich reduziert werden.The continuous tightening of the exhaust gas legislation places high demands on the vehicle manufacturers, which are solved by appropriate measures to reduce engine raw emissions and appropriate exhaust gas aftertreatment. Catalysts coated with precious metal are installed in the exhaust system of the internal combustion engine in order to be able to effectively convert the raw emissions that cannot be completely avoided into the engine. So that these catalytic converters can convert the pollutants, a minimum temperature level of the exhaust gas and the catalytic converter is necessary. In order to bring the catalytic converter up to operating temperature as quickly as possible after a cold start of the combustion engine, engine heating measures such as adjusting the ignition angle or fuel injection in the "retarded" direction or substoichiometric operation of the combustion engine with the simultaneous introduction of secondary air are used. In order to bring even more thermal energy into the exhaust system, it is possible to heat the catalytic converter electrically or to install a switchable exhaust gas burner on the exhaust system in order to feed hot exhaust gas into the exhaust system and to heat the exhaust gas aftertreatment components arranged in the exhaust system independently of the combustion engine. As a result, emissions can already be significantly reduced in the heating phase of the catalytic converter.
Bei Dieselmotoren sind zur Erhöhung der Abgastemperatur eine späte Nacheinspritzung und/oder eine Verschiebung des Verbrennungsschwerpunktes in Richtung spät bekannt, wobei der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors abnimmt und mehr Energie in die Abgasanlage eingetragen wird. Gleichzeitig können durch eine Verschiebung der Haupteinspritzung in Richtung „spät“ die Rohemissionen an Stickoxiden reduziert werden. In diesel engines, late post-injection and/or a late shift in the center of combustion are known to increase the exhaust gas temperature, with the thermal efficiency of the internal combustion engine decreasing and more energy being introduced into the exhaust system. At the same time, raw emissions of nitrogen oxides can be reduced by shifting the main injection towards "late".
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist jedoch, dass innermotorische Heizmaßnahmen erst nach einem Start des Verbrennungsmotors wirksam werden. Zudem können diese innermotorischen Heizmaßnahmen zu einem Kraftstoffeintrag in das Motoröl führen, wodurch sich der Verschleiß erhöht oder die Ölwechselintervalle verkürzt werden müssen.A disadvantage of the solutions known from the prior art, however, is that internal engine heating measures only become effective after the internal combustion engine has been started. In addition, these internal engine heating measures can lead to fuel entering the engine oil, which increases wear or the oil change intervals have to be shortened.
Ferner sind aus dem Stand der Technik externe Heizmittel in der Abgasanlage wie beispielsweise ein Abgasbrenner oder ein elektrisches Heizelement bekannt. Durch externe Heizmittel können die Abgasnachbehandlungskomponenten im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors aufgeheizt werden und erreichen somit schneller ihre Betriebstemperatur, wodurch insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors die Endrohremissionen reduziert werden können.Furthermore, external heating means in the exhaust system, such as an exhaust gas burner or an electric heating element, are known from the prior art. The exhaust gas aftertreatment components can be heated essentially independently of the exhaust gas flow of the internal combustion engine by means of external heating means and thus reach their operating temperature more quickly, as a result of which the tailpipe emissions can be reduced in particular in a cold start phase of the internal combustion engine.
Die
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Messgenauigkeit eines Temperatursensors in einer Abgasanlage zu erhöhen und insbesondere durch ein elektrisches Heizelement verursachte Messfehler zu reduzieren sowie die katalytische Wirkung der Katalysatoranordnung zu verbessern.The object of the invention is now to increase the measuring accuracy of a temperature sensor in an exhaust system and, in particular, to reduce measuring errors caused by an electrical heating element and to improve the catalytic effect of the catalytic converter arrangement.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Katalysatoranordnung mit einem Abgaskanalsegment, in welchem ein elektrisch beheizbarer Katalysator und in Strömungsrichtung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors durch das Abgaskanalsegment stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators ein weiterer Katalysator angeordnet sind, sowie mit einem stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators angeordneten Sensor, gelöst. Es ist vorgesehen, dass stromabwärts des Sensors und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators ein Abschirmelement angeordnet ist, welches eine Wärmeübertragung mittels Wärmestrahlung von dem elektrisch beheizbaren Katalysator auf den Sensor reduziert oder vermeidet. Bei der Verwendung eines elektrisch beheizbaren Katalysators wird die Wärme des elektrisch beheizbaren Katalysators über Konvektion und Strahlung an die Umgebung abgegeben. Die Wärmestrahlung wirkt dabei ebenfalls auf in der Abgasanlage stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators angeordnete Komponenten. Somit wird beispielsweise ein unmittelbar vor dem elektrisch beheizbaren Katalysator angeordneter Temperatursensor oder ein Abgassensor durch die Wärmestrahlung des elektrisch beheizbaren Katalysators aufgeheizt, wodurch das Messsignal verfälscht werden kann. Um die Verfälschung des Messsignals zu verringern oder zu eliminieren, ist stromabwärts des Sensors und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators ein Abschirmelement angeordnet, welches ein Aufheizen des Sensors durch die Wärmestrahlung reduziert oder verhindert und somit die Messgenauigkeit des Sensors erhöht.According to the invention, this object is achieved by a catalytic converter arrangement with an exhaust gas duct segment, in which an electrically heatable catalytic converter and in the direction of flow of an exhaust gas stream of an internal combustion engine through the exhaust gas duct segment, a further catalytic converter are arranged downstream of the electrically heatable catalytic converter, and with a sensor arranged upstream of the electrically heatable catalytic converter . Provision is made for a shielding element to be arranged downstream of the sensor and upstream of the electrically heatable catalytic converter, which shielding element reduces or prevents heat transmission by means of thermal radiation from the electrically heatable catalytic converter to the sensor. When using an electrically heatable catalytic converter, the heat of the electrically heatable catalytic converter is given off to the environment via convection and radiation. The thermal radiation also acts on components arranged in the exhaust system upstream of the electrically heatable catalytic converter. Thus, for example, a temperature sensor arranged directly in front of the electrically heatable catalytic converter or an exhaust gas sensor is heated by the thermal radiation of the electrically heatable catalytic converter, as a result of which the measurement signal can be falsified. In order to reduce or eliminate the falsification of the measurement signal, a shielding element is arranged downstream of the sensor and upstream of the electrically heatable catalytic converter, which reduces or prevents heating of the sensor by thermal radiation and thus increases the measurement accuracy of the sensor.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Katalysatoranordnung möglich.Advantageous improvements and further developments of the catalytic converter arrangement specified in the independent claim are possible as a result of the features listed in the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Abschirmelement eine Katalysatorscheibe umfasst oder ist. Durch eine Katalysatorscheibe stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators kann der weitere Katalysator stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators kleiner ausgeführt werden. Dabei werden sowohl die Katalysatorscheibe als auch der weitere Katalysator durch die Wärmestrahlung des elektrisch beheizbaren Katalysators zusätzlich zu der konvektiven Wärmeübertragung auf den weiteren Katalysator aufgeheizt, wodurch alle Komponenten der Katalysatoranordnung schneller ihre Light-Off-Temperatur erreichen. Somit kann die Konvertierungsleistung, insbesondere bei kalter Abgasanlage, verbessert und die Endrohremission gesenkt werden.According to the invention it is provided that the shielding element comprises or is a catalytic converter disc. A catalytic converter disc upstream of the electrically heatable catalytic converter allows the further catalytic converter downstream of the electrically heatable catalytic converter to be made smaller. Both the catalytic converter disk and the further catalytic converter are heated by the thermal radiation of the electrically heatable catalytic converter in addition to the convective heat transfer to the further catalytic converter, as a result of which all components of the catalytic converter arrangement reach their light-off temperature more quickly. In this way, the conversion performance can be improved, especially when the exhaust system is cold, and tailpipe emissions can be reduced.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Katalysatorscheibe eine Dicke von 5 mm bis 35 mm, vorzugsweise von 10 mm bis 25 mm, insbesondere etwa 15 mm, aufweist. Bei einer dünnen Katalysatorscheibe führt die mittels Wärmestrahlung von dem elektrisch beheizbaren Katalysator auf die Katalysatorscheibe übertragene Wärme dazu, dass sich diese Katalysatorscheibe ebenfalls schnell aufheizt und somit unmittelbar nach Aktivierung des elektrisch beheizbaren Katalysators ihre Light-Off-Temperatur erreicht. Dadurch können die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors enthaltenen Schadstoffe unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors konvertiert oder eingespeichert werden, wodurch die Endrohremissionen, insbesondere in der Kaltstartphase, reduziert werden können.According to the invention, it is provided that the catalyst disc has a thickness of 5 mm to 35 mm, preferably 10 mm to 25 mm, in particular about 15 mm. In the case of a thin catalytic converter disk, the heat transferred from the electrically heatable catalytic converter to the catalytic converter disk by means of thermal radiation means that this catalytic converter disk also heats up quickly and thus reaches its light-off temperature immediately after activation of the electrically heatable catalytic converter. As a result, the pollutants contained in the exhaust gas flow of the internal combustion engine can be converted or stored immediately after a cold start of the internal combustion engine, as a result of which the tailpipe emissions, particularly in the cold start phase, can be reduced.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Katalysatoranordnung ist vorgesehen, dass die Katalysatorscheibe mit einem Abstand von 2 mm bis 50 mm, vorzugsweise von 2 mm bis 15 mm, stromaufwärts eines elektrischen Heizelements des elektrisch beheizbaren Katalysators angeordnet ist. Da die Wärmestrahlung sich auf alle angrenzenden Bauteile ausbreitet und aufteilt, ist es zielführend, die Katalysatorscheibe möglichst nahe an dem elektrisch beheizbaren Katalysator anzuordnen, um eine möglichst ausschließliche Erwärmung der Katalysatorscheibe und nicht der angrenzenden Wand durch die Wärmestrahlung des elektrisch beheizbaren Katalysator zu ermöglichen. Dabei wird die Entfernung von einer auslassseitigen Stirnfläche der Katalysatorscheibe bis zu einer einlassseitigen Stirnfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators gemessen. Durch eine Entfernung von maximal 50 mm kann sichergestellt werden, dass eine starke Aufheizung des elektrisch beheizbaren Katalysators zu einer funktionssicheren Erwärmung der Katalysatorscheibe auf ihre Light-Off-Temperatur führt und somit Schadstoffe im Abgasstrom des Verbrennungsmotors unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors durch die Katalysatorscheibe konvertiert oder eingespeichert werden können.In an advantageous embodiment of the catalytic converter arrangement, it is provided that the catalytic converter disc is spaced upstream from 2 mm to 50 mm, preferably from 2 mm to 15 mm an electric heating element of the electrically heatable catalyst is arranged. Since the thermal radiation spreads and is distributed to all adjacent components, it is expedient to arrange the catalytic converter disk as close as possible to the electrically heatable catalytic converter in order to enable the catalytic converter disk and not the adjacent wall to be heated as exclusively as possible by the thermal radiation of the electrically heatable catalytic converter. The distance from an outlet-side end face of the catalytic converter disc to an inlet-side end face of the electrically heatable catalytic converter is measured. A maximum distance of 50 mm ensures that strong heating of the electrically heated catalytic converter leads to functionally reliable heating of the catalytic converter disc to its light-off temperature and thus pollutants in the exhaust gas flow of the combustion engine are converted by the catalytic converter disc immediately after a cold start of the combustion engine or can be saved.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Katalysatoranordnung ist vorgesehen, dass der Sensor ein Temperatursensor oder ein Abgassensor ist. Um eine effiziente Steuerung der Katalysatoranordnung zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn der Sensor als Temperatursensor ausgeführt ist, um die Temperatur des Abgasstroms vor Eintritt in die nachfolgenden Katalysatoren zu kennen und somit abschätzen zu können, inwieweit eine Konvertierung der im Abgasstrom des Verbrennungsmotors enthaltenen Schadstoffe möglich ist. Alternativ kann der Sensor auch ein Abgassensor sein, mit welchem eine Schadstoffkonzentration einer limitierten Abgaskomponente vor Eintritt in den Katalysator erfasst wird.In a preferred embodiment of the catalytic converter arrangement, it is provided that the sensor is a temperature sensor or an exhaust gas sensor. In order to enable efficient control of the catalytic converter arrangement, it is advantageous if the sensor is designed as a temperature sensor in order to know the temperature of the exhaust gas flow before it enters the subsequent catalytic converters and thus to be able to estimate the extent to which the pollutants contained in the exhaust gas flow of the internal combustion engine are converted is possible. Alternatively, the sensor can also be an exhaust gas sensor, with which a pollutant concentration of a limited exhaust gas component is detected before it enters the catalytic converter.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abschirmelement ein Abschirmblech umfasst oder ist. Durch ein Abschirmblech kann verhindert werden, dass die Wärmestrahlung des elektrisch beheizbaren Katalysators zu einem Wärmeeintrag in den Sensor stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators führt und an diesem Sensor, insbesondere bei der Messung einer Temperatur, zu einer Verfälschung der Messergebnisse führt.In a further preferred embodiment of the invention it is provided that the shielding element comprises or is a shielding plate. A shielding plate can prevent the thermal radiation from the electrically heatable catalytic converter leading to heat input into the sensor upstream of the electrically heatable catalytic converter and leading to a falsification of the measurement results at this sensor, particularly when measuring a temperature.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Katalysator als Oxidationskatalysator oder als NOx-Speicherkatalysator ausgeführt ist. Da elektrisch beheizbare Katalysatoren oft in Abgasanlagen von Dieselmotoren eingesetzt werden, ist die Verwendung eines solchen elektrisch beheizbaren Katalysators stromaufwärts eines Oxidationskatalysators oder eines NOx-Speicherkatalysators als in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors ersten Katalysator sinnvoll. Dabei kann insbesondere eine teilweise Oxidation von Stickoxiden erfolgen, um für eine in Strömungsrichtung nachfolgende Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein ideales Verhältnis von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) einzustellen.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the catalytic converter is designed as an oxidation catalytic converter or as a NOx storage catalytic converter. Since electrically heatable catalytic converters are often used in exhaust gas systems of diesel engines, the use of such an electrically heatable catalytic converter upstream of an oxidation catalytic converter or a NOx storage catalytic converter as the first catalytic converter in the direction of flow of an exhaust gas from the internal combustion engine makes sense. In particular, partial oxidation of nitrogen oxides can take place in order to set an ideal ratio of nitrogen monoxide (NO) to nitrogen dioxide (NO2) for a downstream exhaust gas aftertreatment component for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Katalysator als Drei-Wege-Katalysator oder als Vier-Wege-Katalysator ausgeführt ist. Bei Ottomotoren ist die Anordnung eines elektrisch beheizbaren Katalysators als erster Katalysator unmittelbar vor einem motornahen Katalysator, insbesondere einem Drei-Wege-Katalysator oder Vier-Wege-Katalysator, hilfreich, um die Kaltstartemissionen zu reduzieren. Unter einem motornahen Katalysator ist in diesem Zusammenhang ein Katalysator zu verstehen, dessen einlassseitige Stirnseite mit einer Abgaslauflänge von weniger als 80 cm, vorzugsweise mit weniger als 50 cm, von einem Auslass des Verbrennungsmotors angeordnet ist.Alternatively, it is advantageously provided that the catalytic converter is designed as a three-way catalytic converter or as a four-way catalytic converter. In the case of Otto engines, the arrangement of an electrically heatable catalytic converter as the first catalytic converter directly in front of a catalytic converter close to the engine, in particular a three-way catalytic converter or four-way catalytic converter, is helpful in order to reduce cold-start emissions. In this context, a catalytic converter close to the engine is to be understood as meaning a catalytic converter whose inlet-side end face is arranged with an exhaust gas path length of less than 80 cm, preferably less than 50 cm, from an outlet of the internal combustion engine.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Katalysator als SCR-Katalysator oder als Partikelfilter mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung, insbesondere einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, ausgeführt ist. Insbesondere bei Dieselmotoren kann es hilfreich sein, einen elektrisch beheizbaren Katalysator unmittelbar stromaufwärts eines SCR-Katalysators oder eines Partikelfilters mit einer SCR-Beschichtung anzuordnen, um den SCR-Katalysator oder den Partikelfilter auf eine zur selektiven, katalytischen Reduktion notwendige Temperatur aufzuheizen.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the catalytic converter is designed as an SCR catalytic converter or as a particle filter with a catalytically active coating, in particular a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides. In diesel engines in particular, it can be helpful to arrange an electrically heatable catalytic converter immediately upstream of an SCR catalytic converter or a particle filter with an SCR coating in order to heat the SCR catalytic converter or the particle filter to a temperature required for selective catalytic reduction.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Katalysatoranordnung ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbare Katalysator ein elektrisches Heizelement, insbesondere eine elektrische Heizscheibe, umfasst. Durch ein elektrisches Heizelement, welches einem Katalysator vorgeschaltet ist, kann konvektiv mittels des Abgasstroms eine schnelle Erwärmung des Katalysators sichergestellt werden. Dabei strahlt das elektrische Heizelement Wärme ab, welche zu einer Erwärmung der Katalysatorscheibe stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators genutzt werden kann und somit ein schnelleres Erwärmen der Katalysatorscheibe ermöglicht. Dadurch können limitierte Abgaskomponenten im Abgasstrom des Verbrennungsmotors zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors in unlimitierte Abgaskomponenten konvertiert werden. Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die katalytisch wirksame Struktur des elektrisch beheizbaren Katalysators elektrisch leitend und somit direkt beheizbar ausgeführt ist.In a preferred embodiment of the catalytic converter arrangement, it is provided that the electrically heatable catalytic converter comprises an electric heating element, in particular an electric heating disc. An electrical heating element, which is connected upstream of a catalytic converter, can ensure rapid heating of the catalytic converter by convective means of the exhaust gas flow. The electric heating element emits heat, which can be used to heat the catalytic converter disk upstream of the electrically heatable catalytic converter and thus enables the catalytic converter disk to be heated more quickly. As a result, limited exhaust gas components in the exhaust gas flow of the internal combustion engine can be converted into unlimited exhaust gas components promptly after a cold start of the internal combustion engine. Alternatively, it is advantageously provided that the catalytically active structure of the electrically heatable catalyst is designed to be electrically conductive and thus directly heatable.
Erfindungsgemäß wird ein Abgasnachbehandlungssystem, umfassend eine Abgasanlage, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers eine solche Katalysatoranordnung vorgesehen ist, zur Verfügung gestellt. Durch ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem ist es möglich, die Endrohremissionen, insbesondere unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, zu senken, da die Abgasnachbehandlungskomponenten schneller ihre Light-Off-Temperatur erreichen, ab welcher eine effiziente Konvertierung von Schadstoffen möglich ist. Zudem kann die Regelgenauigkeit des Abgasnachbehandlungssystems verbessert werden, da durch die Abschirmung des Sensors eine verbesserte Messgenauigkeit erreicht werden kann und die Regelung der Abgasnachbehandlungskomponenten entsprechend genauer ausgeführt werden kann.According to the invention, an exhaust gas aftertreatment system is provided, comprising an exhaust system in which such a catalytic converter arrangement is provided downstream of a turbine of an exhaust gas turbocharger in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine. An exhaust gas aftertreatment system according to the invention makes it possible to reduce tailpipe emissions, especially immediately after a cold start of the internal combustion engine, since the exhaust gas aftertreatment components reach their light-off temperature more quickly, from which point efficient conversion of pollutants is possible. In addition, the control accuracy of the exhaust gas aftertreatment system can be improved, since improved measurement accuracy can be achieved by shielding the sensor and the control of the exhaust gas aftertreatment components can be carried out more precisely.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass stromabwärts des Katalysators ein Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels und weiter stromabwärts ein SCR-Katalysator oder ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind. Dadurch ist eine besonders effiziente Konvertierung der Schadstoffe in der Abgasanlage eines Dieselmotors möglich. Dabei kann der Oxidationskatalysator oder der NOx-Speicherkatalysator dazu beitragen, dass ein für die selektive, katalytische Reduktion von Stickoxiden ideales Verhältnis von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) vorliegt, um die Effizienz der selektiven, katalytischen Reduktion zu verbessern.In a preferred embodiment of the exhaust gas aftertreatment system, a dosing element for metering in a reducing agent is arranged downstream of the catalytic converter and an SCR catalytic converter or a particle filter with a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides is arranged further downstream. This enables a particularly efficient conversion of the pollutants in the exhaust system of a diesel engine. The oxidation catalytic converter or the NOx storage catalytic converter can help ensure that the ratio of nitrogen monoxide (NO) to nitrogen dioxide (NO2) is ideal for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides, in order to improve the efficiency of the selective, catalytic reduction.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless stated otherwise in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.
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 gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Katalysatoranordnung mit einem elektrisch beheizbaren Katalysator, einem Abschirmelement und einem Sensor; -
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Katalysatoranordnung mit einem elektrisch beheizbaren Katalysator; -
3 einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem, welches eine erfindungsgemäße Katalysatoranordnung aufweist; und -
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem, welches eine solche Katalysatoranordnung aufweist.
-
1 an embodiment of a catalyst arrangement according to the invention with an electrically heatable catalyst, a shielding element and a sensor; -
2 a further exemplary embodiment of a catalytic converter arrangement according to the invention with an electrically heatable catalytic converter; -
3 an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment system which has a catalyst arrangement according to the invention; and -
4 a further exemplary embodiment of an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment system which has such a catalytic converter arrangement.
In
In
Dazu ist an den Brennräumen 12 jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 vorgesehen, um einen Kraftstoff in die Brennräume 12 einzuspritzen. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als mittels eines Abgasturboladers 24 aufgeladener Verbrennungsmotor 10 ausgeführt, wobei eine Turbine 26 des Abgasturboladers 24 stromabwärts des Auslasses 18 und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 30, 32, 34, 36, 44, 66, 68 angeordnet ist. Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 22, in dem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal 22 stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 ein elektrisch beheizbaren Katalysator 28 und stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 ein vorzugsweise motornaher Katalysator 32, insbesondere ein Oxidationskatalysator 34 oder ein NOx-Speicherkatalysator 36, angeordnet ist. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 34 oder des NOx-Speicherkatalysators 36 sind ein Partikelfilter 68 mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und ein SCR-Katalysator 66 angeordnet. Dazu ist stromabwärts des Oxidationskatalysators 34 oder des NOx-Speicherkatalysators 36 am Abgaskanal 22 mindestens ein Dosierelement 70 angeordnet, mit welchem ein Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, in den Abgaskanal 22 stromaufwärts des Partikelfilters 68 und/oder des SCR-Katalysators 66 eindosiert werden kann. Der elektrische beheizbare Katalysator 28 umfasst ein elektrisches Heizelement 30, insbesondere eine elektrische Heizscheibe, über welche die stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 angeordneten Abgasnachbehandlungskomponenten 32, 34, 36, 66, 68 im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 beheizt werden können. Der elektrisch beheizbare Katalysator 28 ist mit einem Steuergerät 50 des Verbrennungsmotors 10 verbunden, über welches die Heizleistung und/oder die Dauer der Ansteuerung des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 gesteuert werden können.For this purpose, a
Stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 ist ein Sensor 40, insbesondere ein Temperatursensor 58 angeordnet, mit welchem eine Temperatur im Abgaskanal 22 stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 ermittelt werden kann. Der Temperatursensor 40, 58 ist ebenfalls mit dem Steuergerät 50 verbunden und übermittelt eine im Abgaskanal 22 gemessene Temperatur an das Steuergerät 50. Stromabwärts des Temperatursensors 58 und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 ist ein Abschirmelement 42 angeordnet, welches vorzugsweise als Katalysatorscheibe 44, insbesondere als Oxidationskatalysator 34 oder als NOx-Speicherkatalysator 36 in Scheibenform ausgeführt ist und weist in Strömungsrichtung vorzugsweise eine Dicke von 5 mm bis 35 mm, besonders bevorzugt von 10 mm bis 25 mm auf. Diese Katalysatorscheibe wird durch die Hitze des elektrischen Heizelements 30 über die Wärmestrahlung aufgeheizt, sodass sich die Katalysatorscheibe 44 zusätzlich zur konvektiven Wärmeübertragung durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 auch durch die Wärmestrahlung des elektrischen Heizelements 30 aufheizt. Durch diesen Wärmeeintrag und die geringe Dicke der Katalysatorscheibe 44 erreicht die Katalysatorscheibe 44 unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 ihre Light-Off-Temperatur, sodass ab diesem Zeitpunkt eine effiziente Konvertierung von Schadstoffen, insbesondere von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, erfolgen kann. Durch die exotherme Umsetzung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe erfolgt ein zusätzlicher Wärmeeintrag in die Abgasanlage 20, wodurch sich auch der unmittelbar auf den elektrisch beheizbaren Katalysator 28 folgende Katalysator 32 schneller auf seine Betriebstemperatur aufheizt.A
Alternativ oder zusätzlich zu einem Temperatursensor 58 kann der Sensor 40 auch als Abgassensor 64 ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch stromaufwärts des SCR-Katalysators 66 oder des Partikelfilters 68 ein elektrisch beheizbarer Katalysator 28 angeordnet sein.As an alternative or in addition to a
Alternativ zu einer Katalysatorscheibe 44, kann das Abschirmelement 42 auch als Abschirmblech 56 ausgeführt sein, um eine Verfälschung eines Messsignals am Sensor 40 durch die Wärmestrahlung des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 und/oder des elektrischen Heizelements 30 zu unterbinden.As an alternative to a
In
Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 eine Turbine 26 eines Abgasturboladers 24 und stromabwärts der Turbine 26 ein elektrisch beheizbarer Katalysator 28 angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind ein motornaher Drei-Wege-Katalysator 38 und ein elektrisch beheizbarer Vier-Wege-Katalysator 64 in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges vorgesehen. Der elektrisch beheizbare Katalysator 28 umfasst ein elektrisches Heizelement 30, insbesondere eine elektrische Heizscheibe, mit welcher die stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 angeordneten Komponenten zur Abgasnachbehandlung 32, 38, 62, insbesondere ein Vier-Wege-Katalysator 62, im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 beheizt werden können. Der elektrisch beheizbare Katalysator 28 und/oder das elektrische Heizelement 30 sind über eine Signalleitung 46 mit einem Steuergerät 50 des Verbrennungsmotors 10 verbunden, über welches die Heizleistung und Heizdauer des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 und/oder des elektrischen Heizelements 30 gesteuert werden kann.The
Stromabwärts des motornahen Drei-Wege-Katalysators 38 und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 ist ein Sensor 40, insbesondere ein Temperatursensor 58 angeordnet, mit welchem eine Temperatur im Abgaskanal 22 stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 ermittelt werden kann. Der Temperatursensor 58 ist über eine weitere Signalleitung 48 ebenfalls mit dem Steuergerät 50 verbunden und übermittelt eine im Abgaskanal 22 gemessene Temperatur an das Steuergerät 50. Alternativ oder zusätzlich kann auch stromaufwärts des motornahen Drei-Wege-Katalysators 38, 64 ein elektrisch beheizbarer Katalysator 28 angeordnet sein.A
Durch den elektrisch beheizbaren Katalysator 28 können die Emissionen in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors 10 und/oder nach einem Stopp des Verbrennungsmotors 10 reduziert werden. Dies gilt sowohl für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen als auch für stationär genutzte Verbrennungsmotoren. Insbesondere kann ein elektrisch beheizbarer Katalysator 28 auch in einem Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb eingesetzt werden, da bei einem solchen Kraftfahrzeug die Abgasnachbehandlungskomponenten im rein elektrischen Fahrbetrieb unter ihre Betriebstemperatur auskühlen können. Die Wärmestrahlung des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 und/oder des elektrischen Heizelements 30 wird durch das Abschirmelement 42 von dem Sensor 40 ferngehalten, sodass ein Messsignal des Sensors 40, insbesondere eine Temperatur, nicht durch die Wärmestrahlung des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 und/oder des elektrischen Heizelements 30 verfälscht wird.The electrically heatable
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Verbrennungsmotorcombustion engine
- 1212
- Brennraumcombustion chamber
- 1414
- Kraftstoffinjektorfuel injector
- 1616
- Zündkerzespark plug
- 1818
- Auslass outlet
- 2020
- Abgasanlageexhaust system
- 2222
- Abgaskanalexhaust duct
- 2424
- Abgasturboladerexhaust gas turbocharger
- 2626
- Turbineturbine
- 2828
- elektrisch beheizbarer Katalysator electrically heated catalytic converter
- 3030
- elektrisches Heizelementelectric heating element
- 3232
- Katalysatorcatalyst
- 3434
- Oxidationskatalysatoroxidation catalyst
- 3636
- NOx-SpeicherkatalysatorNOx storage catalyst
- 3838
- Drei-Wege-Katalysator Three-way catalytic converter
- 4040
- Sensorsensor
- 4242
- Abschirmelementshielding element
- 4444
- Katalysatorscheibecatalyst disc
- 4646
- Signalleitungsignal line
- 4848
- Signalleitung signal line
- 5050
- Steuergerätcontrol unit
- 5252
- KatalysatoranordnungCatalyst arrangement
- 5454
- Abgaskanalsegmentexhaust duct segment
- 5656
- Abschirmblechshield plate
- 5858
- Temperatursensortemperature sensor
- 6060
- Abgasnachbehandlungssystemexhaust aftertreatment system
- 6262
- Vier-Wege-KatalysatorFour-way catalytic converter
- 6464
- Abgassensorexhaust gas sensor
- 6666
- SCR-KatalysatorSCR catalytic converter
- 6868
- Partikelfilter particle filter
- 7070
- Dosierelementdosing element
Claims (8)
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-
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