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 DE 10 2011 018 293 A1 offenbart ein Katalysatorerwärmungssystem für einen Katalysator in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors. Das Katalysatorerwärmungssystem umfasst ein Überwachungsmodul, ein Modusauswahlmodul und ein Steuermodul für einen elektrisch beheizten Katalysator. Das Steuermodul steuert dabei einen Strom zu dem elektrisch beheizbaren Katalysator.the DE 10 2011 018 293 A1 discloses a catalyst heating system for a catalyst in an exhaust system of an internal combustion engine. The catalyst heating system includes a monitor module, a mode selection module, and an electrically heated catalyst control module. The control module controls a current to the electrically heatable catalyst.

Aus der DE 10 2017 113 366 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor bekannt. Dabei sind in der Abgasanlage in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage ein elektrisch beheizbarer Drei-Wege-Katalysator, stromabwärts des elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysators ein Vier-Wege-Katalysator und stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators ein weiterer Drei-Wege-Katalysator angeordnet. Vor einem Start des Verbrennungsmotors werden der elektrisch beheizbare Drei-Wege-Katalysator und vorzugsweise auch der Vier-Wege-Katalysator beheizt, um bereits ab dem Start des Verbrennungsmotors eine effiziente Abgasnachbehandlung der Rohemissionen des Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Das Abgasnachbehandlungssystem ist dazu eingerichtet, auch während einer Regeneration des Vier-Wege-Katalysators eine effiziente Umsetzung der Schadstoffe zu ermöglichen und somit in allen Betriebszuständen des Kraftfahrzeuges besonders niedrige Emissionen zu gewährleisten.From the DE 10 2017 113 366 A1 an exhaust aftertreatment system for a spark-ignited internal combustion engine is known. In the exhaust system, in the flow direction of an exhaust gas through the exhaust system, there is an electrically heatable three-way catalytic converter, downstream of the electrically heatable three-way catalytic converter a four-way catalytic converter and downstream of the four-way catalytic converter another three-way Catalyst arranged. Before the internal combustion engine is started, the electrically heatable three-way catalytic converter and preferably also the four-way catalytic converter are heated in order to enable efficient exhaust aftertreatment of the raw emissions from the internal combustion engine as soon as the internal combustion engine is started. The exhaust aftertreatment system is set up to enable efficient conversion of the pollutants even during regeneration of the four-way catalytic converter and thus to ensure particularly low emissions in all operating states of the motor vehicle.

Die US 2015 / 0 165 376 A1 offenbart eine Katalysatoreinrichtung mit einem elektrisch beheizbaren Katalysator, wobei stromabwärts eines elektrischen Heizelements eine katalytisch wirksame Struktur des elektrisch beheizbaren Katalysators ausgebildet ist. Der Katalysator umfasst einen äußeren Zylinder welcher das elektrische Heizelement umgibt und einen Isolator, welcher an der Innenfläche des äußeren Zylinders ausgebildet ist. Dabei ist die katalytisch wirksame Struktur in zwei Teile unterteilt, wobei ein Abgasteilstrom durch den äußeren Bereich des Katalysatorkörpers größer als der Abgasteilstrom durch den inneren Bereich des Katalysatorkörpers ist.the U.S. 2015/0 165 376 A1 discloses a catalytic converter device with an electrically heatable catalytic converter, a catalytically active structure of the electrically heatable catalytic converter being formed downstream of an electric heating element. The catalytic converter includes an outer cylinder surrounding the electric heating element and an insulator formed on the inner surface of the outer cylinder. The catalytically active structure is divided into two parts, with a partial exhaust gas flow through the outer region of the catalyst body being larger than the partial exhaust gas flow through the inner region of the catalyst body.

Die DE 10 2017 218 374 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Heiztemperatur eines Heizelements für einen elektrisch beheizbaren Katalysator. Die Vorrichtung umfasst das Heizelement und den Katalysator, die innerhalb eines Katalysatorgehäuses angeordnet sind, sowie einen ersten Temperatursensor und einen zweiten Temperatursensor, die innerhalb des Katalysatorgehäuses angeordnet sind, wobei der erste Temperatursensor bezogen auf eine Abgasströmungsrichtung innerhalb des Katalysatorgehäuses näher an dem Heizelement angeordnet ist als der zweite Temperatursensor.the DE 10 2017 218 374 A1 discloses a device for determining a heating temperature of a heating element for an electrically heatable catalytic converter. The device includes the heating element and the catalyst arranged within a catalyst housing, and a first temperature sensor and a second temperature sensor arranged within the catalyst housing, wherein the first temperature sensor is arranged closer to the heating element than with respect to an exhaust gas flow direction within the catalyst housing the second temperature sensor.

Aus der DE 10 2012 214 378 A1 ist ein System zur thermischen Regulierung in einem Abgasnachbehandlungssystem bekannt. Das System umfasst ein Freigabemodul, ein Statusmodul und ein Temperatursteuermodul. Das Freigabemodul gibt eine Erzeugung von Ammoniak zur Verwendung in SCR-Katalysatoren des Abgasnachbehandlungssystem frei. Das Statusmodul bestimmt, ob das Abgasnachbehandlungssystem in einem Modus mit passivem SCR arbeitet, und erzeugt ein aktives Signal für passive SCR. Der Modus mit passiver SCR umfasst einen Betrieb eines Verbrennungsmotors mit unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis. Das Temperatursteuermodul aktiviert ein elektrisches Heizelement eines Oxidationskatalysators auf Grundlage des aktiven Signals der passiven SCR und einer Temperatur des Oxidationskatalysators.From the DE 10 2012 214 378 A1 a system for thermal regulation in an exhaust aftertreatment system is known. The system includes an enabling module, a status module, and a temperature control module. The enable module enables production of ammonia for use in SCR catalysts of the exhaust aftertreatment system. The status module determines whether the exhaust aftertreatment system is operating in a passive SCR mode and generates an active passive SCR signal. The passive SCR mode includes operating an internal combustion engine with an air-fuel ratio lean of stoichiometry. The temperature control module activates an electric oxidation catalyst heater based on the passive SCR active signal and a temperature of the oxidation catalyst.

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.
The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the associated drawings. Identical components or components with the same function are identified in the different figures with the same reference symbols. Show it:
  • 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 1 ist eine erfindungsgemäße Katalysatoranordnung 52 zur Anordnung in einer Abgasanlage 20 eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Die Katalysatoranordnung 52 umfasst ein Abgaskanalsegment 54, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 ein Sensor 40, insbesondere ein Temperatursensor 58 oder ein Abgassensor 64, stromabwärts des Sensors 40 ein Abschirmelement 42, weiter stromabwärts ein elektrisch beheizbarer Katalysator 28 und stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 ein weiterer Katalysator 32, insbesondere ein Oxidationskatalysator 34 oder ein NOx-Speicherkatalysator 36, angeordnet sind. Das Abschirmelement 42 ist vorzugsweise als Katalysatorscheibe 44, insbesondere als eine Katalysatorscheibe 44 mit der Funktion eines Oxidationskatalysators 34 oder eines NOx-Speicherkatalysators 36, ausgeführt. Die Katalysatorscheibe 44 weist in Strömungsrichtung eine Dicke von 5 mm bis 35 mm, vorzugsweise von 10 mm bis 25 mm auf. Der elektrisch beheizbare Katalysator 28 umfasst ein elektrisches Heizelement 30, welches über eine erste Signalleitung 46 mit einem Steuergerät 50 verbunden ist. Der Sensor 40 ist über eine zweite Signalleitung 48 ebenfalls mit dem Steuergerät 50 verbunden. Bei einer Aktivierung des elektrischen Heizelements 30 erwärmt sich der elektrisch beheizbare Katalysator 28 unabhängig vom Wärmeeintrag durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors. Dabei wird konvektiv Wärme auf den stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 angeordneten weiteren Katalysator 32 übertragen, um diesen, insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, möglichst schnell auf seine Betriebstemperatur aufzuheizen. Durch die Wärmestrahlung des elektrisch beheizbaren Katalysators 28, insbesondere des elektrischen Heizelements 30 wird zudem Wärme in den weiteren Katalysator 32 und in die Katalysatorscheibe 44 eingetragen. Dadurch erreicht die dünne Katalysatorscheibe 44 unmittelbar nach einem Kaltstart des in 3 dargestellten Verbrennungsmotors 10 ihre Light-Off-Temperatur. Nach Erreichen der Light-Off-Temperatur kann die Katalysatorscheibe 44 durch eine exotherme Umsetzung von unverbrannten Abgaskomponenten, insbesondere von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff oder Kohlenstoffmonoxid, zum weiteren Aufheizen der stromabwärts der Katalysatorscheibe 44 angeordneten Bauteile beitragen. Durch die Katalysatorscheibe 44 wird zudem der Sensor 40 vor der Wärmestrahlung des elektrisch beheizbaren Katalysators 30 abgeschirmt. Dadurch kann verhindert werden, dass sich der Sensor 40 durch die Wärmestrahlung des elektrisch beheizbaren Katalysators 28 aufheizt und somit die Messergebnisse des Sensors 40 verfälscht werden.In 1 a catalytic converter arrangement 52 according to the invention for arrangement in an exhaust system 20 of an internal combustion engine 10 is shown. Catalyst arrangement 52 comprises an exhaust gas duct segment 54, in which, in the flow direction of an exhaust gas stream of internal combustion engine 10, is a sensor 40, in particular a temperature sensor 58 or an exhaust gas sensor 64, downstream of sensor 40 a shielding element 42, further downstream an electrically heatable catalytic converter 28 and downstream of the electrically heatable Catalyst 28, a further catalyst 32, in particular an oxidation catalyst 34 or a NOx storage catalyst 36, are arranged. The shielding element 42 is preferably designed as a catalytic converter disk 44 , in particular as a catalytic converter disk 44 with the function of an oxidation catalytic converter 34 or a NOx storage catalytic converter 36 . The catalyst disc 44 has a thickness of 5 mm to 35 mm, preferably 10 mm to 25 mm, in the direction of flow. The electrically heatable catalytic converter 28 includes an electrical heating element 30 which is connected to a control unit 50 via a first signal line 46 . Sensor 40 is also connected to control unit 50 via a second signal line 48 . When the electrical heating element 30 is activated, the electrically heatable catalytic converter 28 heats up independently of the heat input through the exhaust gas flow of the internal combustion engine. In this case, heat is convectively transferred to the further catalytic converter 32 arranged downstream of the electrically heatable catalytic converter 28 in order to heat it up to its operating temperature as quickly as possible, in particular after a cold start of the internal combustion engine. Heat is also introduced into the further catalytic converter 32 and into the catalytic converter disk 44 as a result of the heat radiation from the electrically heatable catalytic converter 28 , in particular from the electric heating element 30 . As a result, the thin catalytic converter disk 44 reaches the in 3 illustrated internal combustion engine 10 their light-off temperature. After the light-off temperature has been reached, the catalytic converter disk 44 can contribute to further heating of the components arranged downstream of the catalytic converter disk 44 through an exothermic conversion of unburned exhaust gas components, in particular unburned hydrocarbons, hydrogen or carbon monoxide. In addition, the sensor 40 is shielded from the thermal radiation of the electrically heatable catalytic converter 30 by the catalytic converter disc 44 . This can prevent the sensor 40 from being heated up by the thermal radiation of the electrically heatable catalytic converter 28 and thus the measurement results of the sensor 40 are falsified.

In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung 52 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel das Abschirmelement 42 als Abschirmblech 52 ausgeführt. Das Abschirmblech verhindert ebenfalls, dass der Sensor 40 durch die Wärmestrahlung des elektrisch beheizbaren Katalysators 28, insbesondere durch die Wärmestrahlung des elektrischen Heizelements 30, gestört wird und die Funktion des Sensors 40 beeinträchtigt oder gestört wird.In 2 An alternative exemplary embodiment of a catalytic converter arrangement 52 according to the invention is shown. With essentially the same structure as 1 executed, the shielding element 42 is designed as a shielding plate 52 in this exemplary embodiment. The shielding plate also prevents the sensor 40 from being disturbed by the heat radiation from the electrically heatable catalytic converter 28, in particular by the heat radiation from the electric heating element 30, and the function of the sensor 40 being impaired or disturbed.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10, dessen Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 60 zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als Dieselmotor ausgeführt. Der Verbrennungsmotor 10 weist mehrere Brennräume 12 auf, in welchen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. 3 shows a schematic representation of an internal combustion engine 10 whose outlet 18 is connected to an exhaust system 20 of an exhaust gas aftertreatment system 60 according to the invention for exhaust gas aftertreatment of an exhaust gas stream of the internal combustion engine 10 . The internal combustion engine 10 is preferably designed as a diesel engine. Internal combustion engine 10 has a plurality of combustion chambers 12 in which a fuel-air mixture is burned.

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 fuel injector 14 is provided on each of the combustion chambers 12 in order to inject fuel into the combustion chambers 12 . The internal combustion engine 10 is preferably embodied as an internal combustion engine 10 charged by means of an exhaust gas turbocharger 24, a turbine 26 of the exhaust gas turbocharger 24 being arranged downstream of the outlet 18 and upstream of the exhaust gas aftertreatment components 28, 30, 32, 34, 36, 44, 66, 68. Exhaust system 20 comprises an exhaust gas duct 22, in which, in the flow direction of an exhaust gas through exhaust gas duct 22, is an electrically heatable catalytic converter 28 downstream of turbine 26 of exhaust gas turbocharger 24 and, downstream of electrically heatable catalytic converter 28, a preferably close-coupled catalytic converter 32, in particular an oxidation catalytic converter 34 or a NOx - Storage catalytic converter 36 is arranged. A particulate filter 68 with a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides and an SCR catalytic converter 66 are arranged downstream of the oxidation catalytic converter 34 or the NOx storage catalytic converter 36 . For this purpose, at least one dosing element 70 is arranged downstream of the oxidation catalytic converter 34 or the NOx storage catalytic converter 36 on the exhaust gas duct 22, with which a reducing agent, in particular an aqueous urea solution, can be metered into the exhaust gas duct 22 upstream of the particle filter 68 and/or the SCR catalytic converter 66. The electrically heatable catalytic converter 28 comprises an electric heating element 30, in particular an electric heating disc, via which the exhaust gas aftertreatment components 32, 34, 36, 66, 68 arranged downstream of the electrically heatable catalytic converter 28 can be heated essentially independently of the exhaust gas flow of the internal combustion engine 10. The electrically heatable catalytic converter 28 is connected to a control unit 50 of the internal combustion engine 10, via which the heat output and/or the duration of activation of the electrically heatable catalytic converter 28 can be controlled.

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 sensor 40, in particular a temperature sensor 58, is arranged downstream of the turbine 26 of the exhaust gas turbocharger 24 and upstream of the electrically heatable catalytic converter 28, with which a temperature in the exhaust gas duct 22 upstream of the electrically heatable catalytic converter 28 can be determined. Temperature sensor 40, 58 is also connected to control unit 50 and transmits a temperature measured in exhaust gas duct 22 to control unit 50. A shielding element 42 is arranged downstream of temperature sensor 58 and upstream of electrically heatable catalytic converter 28, which is preferably configured as a catalytic converter disc 44, in particular as a Oxidation catalytic converter 34 or as a NOx storage catalytic converter 36 is in the form of a disc and preferably has a thickness of 5 mm to 35 mm, particularly preferably 10 mm to 25 mm, in the direction of flow. This catalytic converter disk is heated by the heat of the electrical heating element 30 via thermal radiation, so that the catalytic converter disk 44 is also heated up by the thermal radiation of the electrical heating element 30 in addition to the convective heat transfer by the exhaust gas flow of the internal combustion engine 10 . As a result of this heat input and the small thickness of the catalytic converter disk 44, the catalytic converter disk 44 reaches its light-off temperature immediately after a cold start of the internal combustion engine 10, so that pollutants, in particular unburned hydrocarbons, can be efficiently converted from this point in time. The exothermic conversion of the unburned hydrocarbons results in additional heat input into the exhaust system 20, as a result of which the catalytic converter 32 immediately following the electrically heatable catalytic converter 28 also heats up more quickly to its operating temperature.

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 temperature sensor 58, the sensor 40 can also be designed as an exhaust gas sensor 64. Alternatively or additionally, an electrically heatable catalytic converter 28 can also be arranged upstream of the SCR catalytic converter 66 or the particle filter 68 .

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 catalytic converter disk 44, the shielding element 42 can also be designed as a shielding plate 56 in order to prevent a measurement signal from the sensor 40 being distorted by the heat Radiation of the electrically heatable catalyst 28 and / or the electric heating element 30 to prevent.

In 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Abgasanlage 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als fremdgezündeter Ottomotor ausgeführt. Der Verbrennungsmotor 10 weist mindestens einen Brennraum 12 auf, an welchem eine Zündkerze 16 zur Entzündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in dem Brennraum 12 angeordnet ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als direkteinspritzender Verbrennungsmotor 10 ausgeführt. Dazu ist an dem Brennraum 12 ein Kraftstoffinjektor 14 angeordnet, mit welchem ein brennbarer Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum 12 eingespritzt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors 10 ein Kraftstoffeinspritzventil zur Einbringung des brennbaren Kraftstoffs vorgesehen sein.In 4 an alternative exemplary embodiment of an exhaust system 20 for an internal combustion engine 10 is illustrated. In this exemplary embodiment, internal combustion engine 10 is designed as a spark-ignition Otto engine. The internal combustion engine 10 has at least one combustion chamber 12 on which a spark plug 16 for igniting a fuel-air mixture in the combustion chamber 12 is arranged. The internal combustion engine 10 is preferably designed as a direct-injection internal combustion engine 10 . For this purpose, a fuel injector 14 is arranged on the combustion chamber 12, with which a combustible fuel can be injected into the respective combustion chamber 12. Alternatively or additionally, a fuel injection valve for introducing the combustible fuel can also be provided in the intake tract of the internal combustion engine 10 .

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 internal combustion engine 10 is connected at its outlet 18 to an exhaust system 20 in which a turbine 26 of an exhaust gas turbocharger 24 and downstream of the turbine 26 an electrically heatable catalytic converter 28 are arranged in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine 10 . In this exemplary embodiment, a three-way catalytic converter 38 close to the engine and an electrically heatable four-way catalytic converter 64 are provided in the underbody position of a motor vehicle. The electrically heatable catalytic converter 28 comprises an electric heating element 30, in particular an electric heated disc, with which the components for exhaust gas aftertreatment 32, 38, 62, in particular a four-way catalytic converter 62, which are arranged downstream of the electrically heatable catalytic converter 28, can be heated essentially independently of the exhaust gas flow of the Internal combustion engine 10 can be heated. The electrically heatable catalytic converter 28 and/or the electric heating element 30 are connected via a signal line 46 to a control unit 50 of the internal combustion engine 10, via which the heating output and heating duration of the electrically heatable catalytic converter 28 and/or the electric heating element 30 can be controlled.

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 sensor 40, in particular a temperature sensor 58, is arranged downstream of the close-coupled three-way catalytic converter 38 and upstream of the electrically heatable catalytic converter 28, with which a temperature in the exhaust gas duct 22 upstream of the electrically heatable catalytic converter 28 can be determined. Temperature sensor 58 is also connected to control unit 50 via a further signal line 48 and transmits a temperature measured in exhaust gas duct 22 to control unit 50. Alternatively or additionally, an electrically heatable catalytic converter 28 can also be arranged upstream of close-coupled three-way catalytic converter 38, 64 be.

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 catalytic converter 28 can reduce the emissions in the cold start phase of the internal combustion engine 10 and/or after the internal combustion engine 10 has been stopped. This applies both to internal combustion engines in motor vehicles and to stationary internal combustion engines. In particular, an electrically heatable catalytic converter 28 can also be used in a motor vehicle with a hybrid drive, since in such a motor vehicle the exhaust gas aftertreatment components can cool below their operating temperature in purely electric driving mode. The thermal radiation from the electrically heatable catalytic converter 28 and/or the electric heating element 30 is kept away from the sensor 40 by the shielding element 42, so that a measurement signal from the sensor 40, in particular a temperature, is not affected by the thermal radiation from the electrically heatable catalytic converter 28 and/or the electric Heating element 30 is falsified.

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)

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 disk (44) with a thickness of 5 mm to 35 mm. Katalysatoranordnung (52) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorscheibe (52) mit einem Abstand von 2 mm bis 50 mm stromaufwärts eines elektrischen Heizelements (30) des elektrisch beheizbaren Katalysators (28) angeordnet ist.Catalyst assembly (52) after claim 1 , characterized in that the catalyst disc (52) is arranged at a distance of 2 mm to 50 mm upstream of an electrical heating element (30) of the electrically heatable catalyst (28). Katalysatoranordnung (52) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (40) ein Temperatursensor (58) oder ein Abgassensor (64) ist.Catalyst arrangement (52) according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the sensor (40) is a temperature sensor (58) or an exhaust gas sensor (64). Katalysatoranordnung (52) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (42) ein Abschirmblech (56) umfasst.Catalyst arrangement (52) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the shielding element (42) comprises a shielding plate (56). Katalysatoranordnung (52) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (32) als Oxidationskatalysator (34) oder als NOx-Speicherkatalysator (36) ausgeführt ist.Catalyst arrangement (52) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the catalytic converter (32) is designed as an oxidation catalytic converter (34) or as a NOx storage catalytic converter (36). Katalysatoranordnung (52) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (32) als Drei-Wege-Katalysator (38) oder als Vier-Wege-Katalysator (62) ausgeführt ist.Catalyst arrangement (52) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the catalytic converter (32) is designed as a three-way catalytic converter (38) or as a four-way catalytic converter (62). Abgasnachbehandlungssystem (60), umfassend eine Abgasanlage (20), in welcher in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) stromabwärts einer Turbine (26) eines Abgasturboladers (24) eine Katalysatoranordnung (52) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 angeordnet ist.Exhaust gas aftertreatment system (60), comprising an exhaust system (20), in which in the direction of flow of an exhaust gas of the internal combustion engine (10) downstream of a turbine (26) of an exhaust gas turbocharger (24) has a catalyst arrangement (52) according to one of Claims 1 until 6 is arranged. Abgasnachbehandlungssystem (60) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Katalysators (32) ein Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels und weiter stromabwärts ein SCR-Katalysator (66) oder ein Partikelfilter (68) mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind.Exhaust aftertreatment system (60) after claim 7 , characterized in that downstream of the catalytic converter (32) a metering element for metering in a reducing agent and further downstream an SCR catalytic converter (66) or a particle filter (68) with a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides are arranged.
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