DE102019201048A1 - System und Verfahren zur Abgasnachbehandlung - Google Patents

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Stefan Lang
Ingmar Langer
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Abstract

Ein System zur Abgasnachbehandlung umfasst einen Katalysator, welcher dazu ausgebildet ist, Abgas von einem Verbrennungsmotor katalytisch zu behandeln, wobei der Katalysator einen Gaseinlass zum Aufnehmen von Luft und/oder Abgas von dem Verbrennungsmotor und einen Gasauslass zum Auslassen von behandeltem Gas umfasst; einen Gastank, welcher dazu ausgebildet ist, Luft und/oder Abgas vorübergehend zu speichern; und ein Gasverteilersystem, welches dazu ausgebildet ist, zumindest einen Anteil der Luft und/oder des Abgases von dem Verbrennungsmotor selektiv zu einem Gastank stromaufwärts von dem Gaseinlass des Katalysators und/oder stromabwärts von dem Gasauslass des Katalysators abzuleiten und in dem Gastank gespeicherte Luft und/oder Abgas selektiv zu zumindest einem von dem Katalysator, einem Abgasauslass und dem Verbrennungsmotor zu leiten.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Abgasnachbehandlung, insbesondere während des Betriebs eines Verbrennungsmotors eines Automobils, z.B. eines Dieselmotors. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung.
  • Hintergrund
  • Ein Katalysator ist eine Abgasreinigungsvorrichtung, die toxische Gase und Schadstoffe im Abgas eines Verbrennungsmotors in weniger toxische oder ungiftige Substanzen umwandelt und/oder solche Substanzen aus dem Abgasstrom herausfiltert. Katalysatoren werden insbesondere bei Verbrennungsmotoren verwendet, die entweder mit Benzin oder Diesel betrieben werden.
  • Selektive katalytische Reduktion (englisch: „selective catalytic reduction“, SCR) ist eine beispielhafte und bekannte Technik, die in Katalysatoren eingesetzt wird, bei der Stickoxide, sogenannte NOx, mit Hilfe eines Katalysators in zweiatomigen Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Ein gasförmiges und/oder flüssiges Reduktionsmittel, z.B. wasserfreies Ammoniak, wässriges Ammoniak oder Harnstoff, wird einem Abgasstrom zugegeben und am Katalysator adsorbiert. SCR-Konverter benötigen eine bestimmte Temperatur, um ordnungsgemäß zu funktionieren, so dass die katalytische Reaktion typischerweise erst oberhalb einer sogenannten Starttemperatur (englisch: „light-off temperature“) eingeleitet wird. Normalerweise wird der SCR durch die durchströmenden Abgase erwärmt. Es dauert deshalb relativ lange bis SCR-Konverter, insbesondere während eines Kaltstarts, aufgeheizt sind und somit bis NOx-Emissionen effektiv reduziert werden. Wird ein Motor eines Kraftfahrzeugs ferner im Leerlauf betrieben, d.h. das Fahrzeug bewegt sich lastfrei, so wird Frischluft durch den Motor in das SCR-System gepumpt, welche das SCR-System runterkühlen und somit zu einer geringeren Leistung führen kann. Darüber hinaus kann eine Beschleunigung eines Motors konventionellen SCR-Systemen Schwierigkeiten bereiten, da die NOx-Emissionen in kurzen Zeitabständen stark ansteigen.
  • Ein Ansatz, der im Zusammenhang mit SCR-Vorrichtungen oft verwendet wird, wird als Abgasrückführung (englisch: „exhaust gas recirculation“, EGR) bezeichnet, wobei die NOx Emissionen weiter reduziert werden, indem ein Teil des Abgases zu dem Motor zurückgeführt wird. Dabei verdünnt das rückgeführte Abgas den aus einem einströmenden Luftstrom stammenden Sauerstoff, was zu einer Reduzierung der Spitzentemperaturen im Zylinder und der NOx-Emission führt. Bei niedrigen Last- und/oder Geschwindigkeitszuständen eines Motors ist es jedoch meist schwierig, hohe EGR-Raten zu erreichen, da ein Turbolader des jeweiligen Motors oft nicht in der Lage ist, die erforderlichen Ladedrücke zu erzeugen.
  • Die Druckschrift DE 10 2007 022 494 A1 beschreibt ein Verfahren zum Speichern von Abgasen eines Verbrennungsmotors in einem Abgastank innerhalb des Autos. Das gespeicherte Abgas kann anschließend in größere externe Tanks überführt werden, z.B. an einer Tankstelle.
  • Die Druckschrift WO 2013/050442 A1 beschreit ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Antreiben eines Turboladers eines Verbrennungsmotors mit Hilfe von Druckluft aus einem Lufttank.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund besteht ein Bedarf, die Leistung von Abgasnachbehandlungssystemen von Verbrennungsmotoren zu verbessern.
  • Zu diesem Zweck stellt die vorliegende Erfindung ein System gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 11 bereit.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein System zur Abgasnachbehandlung einen Katalysator, welcher dazu ausgebildet ist, Abgas von einem Verbrennungsmotor katalytisch zu behandeln, wobei der Katalysator einen Gaseinlass zum Aufnehmen von Luft und/oder Abgas von dem Verbrennungsmotor und einen Gasauslass zum Auslassen von behandeltem Gas umfasst; einen Gastank, welcher dazu ausgebildet ist, Luft und/oder Abgas vorübergehend zu speichern; und ein Gasverteilersystem, welches dazu ausgebildet ist, zumindest einen Anteil der Luft und/oder des Abgases von dem Verbrennungsmotor selektiv zu einem Gastank stromaufwärts von dem Gaseinlass des Katalysators und/oder stromabwärts von dem Gasauslass des Katalysators abzuleiten und in dem Gastank gespeicherte Luft und/oder Abgas selektiv zu zumindest einem von dem Katalysator, einem Abgasauslass und dem Verbrennungsmotor zu leiten.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung selektives Ableiten von Luft und/oder Abgas von einem Verbrennungsmotor in einen Gastank stromaufwärts von einem Gaseinlass eines Katalysators und/oder stromabwärts von einem Gasauslass des Katalysators; vorübergehendes Speichern der Luft und/oder des Abgases in dem Gastank; und selektives Leiten von in dem Gastank gespeicherter Luft und/oder Abgas zu zumindest einem von dem Katalysator, einem Abgasauslass und dem Verbrennungsmotor.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem System zur Abgasnachbehandlung gemäß der Erfindung bereitgestellt.
  • Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, von dem Verbrennungsmotor stammendes Abgas und/oder Luft in einem speziell für diese Aufgabe in dem Fahrzeug vorgesehenen Gastank zu speichern. Die Luft und/oder das Abgas können dann anschließend für verschiedene Zwecke verwendet werden, um die Leistung der Abgasnachbehandlung und/oder sogar des Motors selbst zu erhöhen.
  • Abhängig von einer aktuellen Betriebsphase und/oder einem Zustand des Motors können Luft, Abgas oder ein Gemisch aus beiden durch den Motor freigesetzt werden. In herkömmlichen Systemen durchströmt dieses Gas das Katalysatorsystem und wird schließlich an einem Abgasauslass ausgeblasen (ein Teil des Gases kann jedoch über ein EGR-System zum Motor zurückgeführt werden). Das Gasverteilersystem der vorliegenden Erfindung leitet einen Anteil dieses Gases oder das gesamte Gas stromaufwärts und/oder stromabwärts von dem Katalysator ab und speichert es in dem Gastank. Diese Ableitung des Gases erfolgt selektiv in Abhängigkeit von einer aktuellen Betriebsphase des Systems und/oder des Motors. Das gespeicherte Gas kann dann in nachfolgenden Betriebsphasen des Systems für spezifische Zwecke verwendet werden, um die Leistung des Systems zu erhöhen.
  • So kann beispielsweise das Abgas in dem Gastank gespeichert und von dem Gastank zum Katalysator zur katalytischen Behandlung geleitet werden. In diesem Beispiel kann das Abgas des Motors in dem Gastank zwischengespeichert werden, bis der Katalysator eine optimale Betriebstemperatur und/oder einen effizienteren Arbeitspunkt erreicht hat, z.B. während Kaltstart- und/oder Beschleunigungsphasen des Motors. Daher kann der Gastank zur Speicherung von Abgas für kurze Emissionsspitzen verwendet werden, z.B. wenige Sekunden, um CO- und NOx-Emissionen während der Kaltstart- und Beschleunigungsphasen zu reduzieren. Das in dem Gastank gespeicherte Abgas kann jedoch auch zum Motor geleitet werden, um ein EGR-System und/oder einen Turbolader des Motors zu unterstützen, was wiederum ebenfalls zu einer CO2-Reduktion führen kann.
  • In einem weiteren Beispiel kann Frischluft aus dem Motor (welche über einen Turbolader eingeleitet wird) in dem Gastank gespeichert und zu Aufladezwecken aus dem Gastank in den Motor geleitet werden. In diesem Beispiel kann verhindert werden, dass die Frischluft den Katalysator in einer Leerlaufphase durchströmt, was andernfalls zu einer Abkühlung des Katalysators führen könnte. Stattdessen wird die Luft zu dem Gastank und von dort zu dem Motor geleitet, z.B. um einen Turbolader zu laden. Eine solche Aufladung des Turboladers mit hohem Ladedruck (Frischluft) kann die Motorleistung, z.B. bei niedriger Motordrehzahl, erhöhen und das CO2-Reduktionspotenzial des Systems verbessern.
  • In dem Gastank gespeicherte Luft und/oder Abgas kann ebenfalls jederzeit an dem Abgasauslass abgelassen werden. Somit kann der Gastank zum Speichern von Frischluft während einer Betriebsphase des Motors und zum Speichern von Abgas während einer anderen Betriebsphase des Motors verwendet werden. Es versteht sich jedoch, dass es Anwendungen geben kann, bei denen sowohl Luft als auch Abgas gleichzeitig in dem Gastank gespeichert werden können.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Gasverteilersystem dazu ausgebildet sein, Luft von dem Verbrennungsmotor zu dem Gastank stromaufwärts von dem Gaseinlass des Katalysators abzuleiten während einer Leerlaufphase des Verbrennungsmotors.
  • So kann beispielsweise Frischluft von dem Motor in dem Gastank gespeichert werden, um eine Kühlung des Katalysators während einer Leerlaufphase zu vermeiden. Dadurch kann die Abkühlung einer SCR-Vorrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Systemen reduziert werden, was wiederum zu einer Effizienzsteigerung der SCR-Vorrichtung in nachfolgenden Betriebsphasen führt. Die gespeicherte Luft kann anschließend genutzt werden, z.B. zur Motorverstärkung. Alternativ kann die Luft jedoch auch nur an dem Abgasauslass abgeblasen werden. In letzterem Fall umgeht die Luft somit den Katalysator des Systems.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Gasverteilersystem dazu ausgebildet sein, in dem Gastank gespeicherte Luft zu dem Verbrennungsmotor zu leiten während einer Turbolochphase des Verbrennungsmotors. Die Luft kann in einen Turbolader und/oder einen Einlasskrümmer des Verbrennungsmotors geleitet werden.
  • So kann beispielsweise Luft, die während einer Leerlaufphase gespeichert wurde, nun zu einem Kompressor des Turboladers und/oder direkt in den Einlasskrümmer des Motors zurückgeführt werden. Mit dieser Rückführung erhält der Motor mehr Frischluft (d.h. zusätzlich zu der über einen Lufteinlass des Turboladers angesaugten Luftmenge), die zum Aufladen des Motors verwendet werden kann, damit dieser mehr Drehmoment erzeugen kann. Eine solche Aufladung des Motors ist besonders nützlich in Betriebsarten, in denen der Turbolader weniger Abgasenergie zur Verfügung hat, um hohe Ladedrücke zu realisieren (sogenannte Turbolochphase). Grundsätzlich kann die Luft jedoch auch in anderen Betriebsphasen des Motors zum Motor geleitet werden.
  • Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass der Turbolader auch bei niedrigen Motordrehzahlen und/oder niedrigen Lastbedingungen hohe Ladedrücke erreichen kann, so dass hohe Drehmomente am unteren Ende möglich sind. Normalerweise ist es sehr schwierig, bei niedrigen Motordrehzahlen einen ausreichend großen Ladedruck bereitzustellen, da die Abgasenergie nicht hoch genug ist, um herkömmliche Turbolader zu versorgen. Mit der Erfindung kann nun die Motordrehzahl reduziert werden, um die CO2-Emissionen bei niedrigen Geschwindigkeiten zu reduzieren, d.h. Fahren mit sehr niedrigen Drehzahlen bei hohen Übersetzungen.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Gasverteilersystem dazu ausgebildet sein, Abgas von dem Verbrennungsmotor zu dem Gastank flussaufwärts von dem Gaseinlass des Katalysators und/oder stromabwärts von dem Gasauslass des Katalysators abzuleiten während einer Kaltstartphase und/oder einer Beschleunigungsphase des Verbrennungsmotors.
  • So kann beispielsweise Abgas während einer Kaltstartphase über eine dem Katalysator nachgeschaltete Klappe oder ähnliche Vorrichtung umgeleitet und in den Gastank geleitet werden. In anderen Phasen kann es vorteilhaft sein, das Abgas bereits stromaufwärts von dem Katalysator umzuleiten, z.B. um zu vermeiden, dass gasförmiges und/oder flüssiges Reduktionsmittel, das in dem Katalysator in das Abgas eingespritzt wird, in den Gastank und damit möglicherweise in den Motor gelangt.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Gasverteilersystem dazu ausgebildet sein, in dem Gastank gespeichertes Abgas zu dem Gaseinlass des Katalysators zu leiten, wenn eine Betriebstemperatur des Katalysators eine Starttemperatur des Katalysators überschreitet.
  • Beispielsweise kann Abgas während einer Kaltstartphase oder jeder anderen Betriebsphase in dem Gastank gespeichert werden, in der der Katalysator (noch) nicht in der Lage wäre, das Abgas ausreichend und/oder effektiv zu behandeln. Das Abgas kann dann später in den Katalysator zurückgeführt werden, sobald der Motor und/oder der Katalysator einen erforderlichen Zustand erreicht hat. Alternativ oder zusätzlich kann das Abgas jedoch ebenso in den Motor, z.B. in einen Einlasskrümmer, zurückgeführt werden und derart nach dem Durchlaufen des Motors den Katalysator erreichen. Durch die Rückführung des Abgases vor dem Katalysator, z.B. einer SCR-Vorrichtung, können die NOx-Emissionen bei einem höheren Wirkungsgrad weiter reduziert werden, da die SCR-Vorrichtung inzwischen eine höhere Temperatur erreicht haben könnte.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Gasverteilersystem dazu ausgebildet sein, in dem Gastank gespeichertes Abgas zu dem Verbrennungsmotor zu leiten während einer Abgasrückführungsphase des Verbrennungsmotors.
  • Daher kann das in dem Gastank gespeicherte Abgas auch in den Motor, z.B. einen Einlasskrümmer des Motors, zurückgeführt werden, um ein EGR-Subsystem zu unterstützen und/oder zu ergänzen. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass das Abgas auch bei niedrigen Lastbedingungen des Motors in hohen Mengen zirkuliert werden kann, unter denen es schwierig wäre, hohe EGR-Raten auf der Grundlage herkömmlicher EGR-Systeme zu erreichen, die durch den unter diesen Bedingungen verfügbaren niedrigen Ladedruck begrenzt sind.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Gasverteilersystem dazu ausgebildet sein, in dem Gastank gespeichertes Abgas zu einem Turbolader des Verbrennungsmotors zu leiten während einer Turboladephase des Verbrennungsmotors.
  • So kann beispielsweise das Abgas über eine Düse an einem Turbinengehäuse eines Turboladers freigesetzt werden, um den Turbolader anzutreiben, d.h. eine Ladedruckerhöhung zu erreichen. Dies ist besonders vorteilhaft bei Betriebsphasen des Motors, in denen das von dem Motor kommende Abgas nur eine geringe Energie aufweist, z.B. in Phasen mit niedriger Beschleunigung oder Geschwindigkeit, Turbolochphasen usw. So können auch bei hohen Übersetzungen und kleinen Drehzahlen, d.h. Umdrehungen pro Minute, hohe Drehmomente erzeugt werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Gasverteilersystem einen Kompressor umfassen, der dazu ausgebildet ist, Luft und/oder Abgas unter Druck zu setzen, welches zu und/oder von dem Gastank geleitet wird.
  • Daher kann die Luft und/oder das Abgas unter Druck in dem Gastank gespeichert werden. Die Druckluft und/oder das Abgas kann beispielsweise zum Verstärken des Motors verwendet werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Gastank in einem Kofferraum, einer Reserveradmulde oder einem Unterboden des Kraftfahrzeugs angeordnet sein.
  • Es versteht sich jedoch, dass der Gastank je nach Anwendungsfall auch in anderen geeigneten Konfigurationen installiert werden kann. In bestimmten Anwendungen kann eine Reserveradmulde vorteilhaft sein, da der Gastank mit minimalen Änderungen an der Konfiguration des Fahrzeugs in dem Fahrzeug nachgerüstet werden kann. Ein typischer Gastank kann ein Volumen zwischen 50 und 100 Litern haben, z.B. 60 oder 80 Liter. Ein Gastank dieser Größe würde problemlos in die Reserveradmulde und/oder den Kofferraum eines typischen Kraftfahrzeugs passen.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Figurenliste
  • Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Erfindung vermitteln und bilden einen Bestandteil der vorliegenden Offenbarung. Sie veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen der Erfindung und viele der genannten Vorteile der Erfindung ergeben sich im Hinblick auf die folgende detaillierte Beschreibung. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes ausgeführt ist.
    • 1 zeigt schematisch ein System zur Abgasnachbehandlung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Abgasnachbehandlung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung des Systems aus 1.
    • 3 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug mit dem System aus 1.
  • Obwohl hierin spezifische Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben werden, wird dem Fachmann klar sein, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder gleichwertigen Implementierungen die dargestellten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele ersetzen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Allgemeinen deckt die Anmeldung sämtliche Anpassungen oder Variationen der hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele ab.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt schematisch ein System 10 zur Abgasnachbehandlung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Das System 10 ist dazu ausgebildet, Abgas zu reinigen, welches durch eine Gasleitung 16 von einem Verbrennungsmotor 101, z.B. ein Dieselmotor, eines Kraftfahrzeugs 100, z.B. das in 3 gezeigte, ausgelassen wird. Zu diesem Zweck weist das System 10 einen Katalysator 2 auf, welcher eine Kette aus Abgasnachbehandlungsvorrichtungen umfasst einschließlich einem Oxidationskatalysator 13, einem Partikelfilter 14 sowie einer Vorrichtung 15 zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Die SCR-Vorrichtung 2 ist stromabwärts von dem Partikelfilter 14 mit Bezug auf den Motor 101 angeordnet, welcher wiederum stromabwärts von dem Oxidationskatalysator 13 angeordnet ist. Sofern eine Verbrennung innerhalb des Motors 101 stattfindet, verlässt Abgas den Motor 101 durch die Gasleitung 16, fließt über einen Gaseinlass 4 in den Katalysator 2, verlässt den Katalysator 2 an einem Gasauslass 6 und wird schließlich an einem Abgasauslass 6 abgelassen, z.B. einem Auspuffrohr des Fahrzeugs 100. Der Motor 101 ist ferner über einen Einlasskrümmer 12 und einen Turbolader 11 mit einem Lufteinlass 17 zum Einlass von Frischluft in der Motor 101 gekoppelt. Somit kann in Abhängigkeit von einem aktuellen Betriebsmodus oder einer aktuellen Betriebsphase des Motors 101 entweder Luft, Abgas oder eine Mischung von beiden den Motor 101 durch die Abgasleitung 16 verlassen.
  • Ein Reduktionsmitteleinspritzer (nicht gezeigt) kann stromaufwärts von der SCR-Vorrichtung 2 angeordnet sein, um Reduktionsmittel in den Abgasstrom einzuspritzen, welches in der üblichen Art und Weise als Reduktionsagent in dem katalytischen Prozess innerhalb des Katalysators 2 fungiert. Beispielsweise kann die SCR-Vorrichtung 2 eine katalytisch aktives Substrat aufweisen, welches zwischen einer Eingangsfläche und einer Ausgangsfläche angeordnet ist (nicht gezeigt). Das Substrat kann beispielsweise einen Keramikmonolithen in der üblichen Weise umfassen, z.B. mit einer Honigwabenunterstruktur, die eine Vielzahl von katalytisch aktiven Subkanälen aufweist, durch welche das Abgas zur katalytischen Behandlung geleitet wird.
  • Es versteht sich, dass die gezeigt Anordnung der katalytischen Vorrichtungen innerhalb des Katalysators 2 rein bespielhaft ist und der Fachmann unterschiedliche Anordnungen und Ausbildungen berücksichtigen wird. Beispielsweise kann der Katalysator 2 lediglich eine SCR-Vorrichtung zwischen dem Gaseinlass 4 und dem Gasauslass 5 umfassen. In diesem Fall können zusätzliche katalytische Vorrichtungen an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Systems bereitgestellt werden, z.B. entlang der Gasleitung 16. Allerdings können anstelle eines SCR ebenso andere katalytische Ansätze verwendet werden, wie dem Fachmann klar sein wird.
  • Im Unterschied zu herkömmlichen Systemen umfasst das System 10 in dieser Ausführung einen Gastank 1, welcher dazu ausgebildet ist, vorübergehend Luft und/oder Abgas zu speichern. Zu diesem Zweck steht der Gastank 1 in Fluidverbindung mit einem Kompressor 7, der dazu ausgebildet ist, die Luft und/oder das Abgas unter Druck zu setzen, bevor dieses in den Gastank 1 eintritt und/oder aus diesem austritt. Somit kann der Gastank 1 insbesondere Luft und/oder Abgas unter Druck speichern. Der Gastank 1 kann beispielsweise in einen Kofferraum, eine Reserveradmulde oder einen Unterboden des Kraftfahrzeugs 100 in 3 installiert sein. Der Gastank 1 kann ein Volumen von 60 bis 80 Liter aufweisen. Allerdings können in anderen Ausführungen unterschiedliche Tankgrößen bereitgestellt werden. Der Gastank 1 kann aus einem Metall oder einem Metallmaterial wie einer Metalllegierung oder einer Kombination aus mehreren Metallen und/oder Metalllegierungen gebildet sein. In anderen Ausführungen kann der Gastank 1 jedoch auch Kunststoff oder Verbundmaterialien aufweisen.
  • Beispielsweise kann der Gastank 1 ein Volumen von 60 Litern ohne Druckbeaufschlagung aufweisen, was bedeutet, dass für einen Druck von 5 bar in dem Gastank 1 ein effektives Tankvolumen unter Druck von 300 Litern erreicht wird. Unter der Annahme dass ein Hubvolumen von 1,6 Litern alle zwei Umdrehungen durch den Motor 101 bei einem Ladedruck von 1,5 bar und einer typischen Motordrehzahl von 1500 U/min geleitet wird, müssen bis zu 1800 Liter pro Minute oder 30 Liter pro Sekunde von dem Motor 101 abgeführt werden. Ein Gastank von 300 Litern kann somit einen Zeitraum von 10 Sekunden abdecken, wenn die gesamte aus dem Motor 101 ausgestoßene Luft und/oder Abgas in den Gastank 1 geleitet wird. Um den Gasdruck im Inneren des Gastanks 1 zu regeln, kann der Gastank 1 einen oder mehrere Drucksensoren 19 umfassen, die von einer Steuereinheit 20 des Systems 10 gesteuert werden.
  • Der Gastank 1 ist in Fluidverbindung mit einem Gasverteilersystem 3, welches eine Vielzahl von Verteilerleitungen 18 und Klappen 9a-9h umfasst, wobei jede Klappe 9a-9h einen Gasfluss durch eine entsprechende Verteilerleitung 18 regelt (Bezugszeichen sind in 1 nur für zwei exemplarische Leitungen der Verteilerleitungen eingetragen, um die Figur einfach zu halten). Das Verteilersystem 3 verbindet den Gastank 1 über die Verteilerleitungen 18 fluidal mit den Gasleitungen 16 des Systems 10 und damit mit den verschiedenen Komponenten des Systems 10, insbesondere dem Motor 101, dem Turbolader 11, dem Einlasskrümmer 12, dem Katalysator 2 und dem Abgasauslass 6. Der Zweck der einzelnen Verbindungen über die Klappen 9a-9h wird im Folgenden näher erläutert. Im Allgemeinen ist das Gasverteilersystem 3 jedoch dazu ausgebildet, mindestens einen Anteil der Luft und/oder des Abgases aus dem Verbrennungsmotor 101 selektiv in den Gastank 1 stromaufwärts von dem Gaseinlass 4 des Katalysators 2 und/oder stromabwärts von dem Gasauslass 5 des Katalysators 2 abzuleiten. Das Gasverteilersystem 3 ist ferner dazu ausgebildet, in dem Gastank 1 gespeicherte Luft und/oder Abgas selektiv zu zumindest einem von dem Katalysator 2, einem Abgasauslass 6 und dem Verbrennungsmotor 101 zu leiten (z.B. über den Turbolader 11 oder direkt über den Einlasskrümmer 12). Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 20 dazu ausgebildet sein, die Klappen 9a-h des Gasverteilersystems 3 zu steuern, um einen Gasfluss von und zu dem Gastank 1 über die Verteilerleitungen 18 zu regeln.
  • Die Verfahrensschritte eines entsprechenden Verfahrens M werden in 2 gezeigt. Konkret umfasst das Verfahren M unter M1 selektives Ableiten von Luft und/oder Abgas von dem Verbrennungsmotor 101 in den Gastank 1 stromaufwärts von dem Gaseinlass 4 des Katalysators 2 und/oder stromabwärts von dem Gasauslass 5 des Katalysators 2. Das Verfahren M umfasst unter M2 ferner vorübergehendes Speichern der Luft und/oder des Abgases in dem Gastank 1. Das Verfahren M umfasst unter M3 ferner selektives Leiten von in dem Gastank 1 gespeicherter Luft und/oder Abgas zu dem Katalysator 2, dem Abgasauslass 6 und/oder dem Verbrennungsmotor 101.
  • Wiederum unter Bezugnahme auf 1 kann das System 10 verwendet werden, um die Leistung des katalytischen Prozesses sowie die allgemeine Leistung des Motors 101 für verschiedene Betriebsphasen des Motors 101 zu erhöhen.
  • So kann beispielsweise in einer Leerlaufphase des Fahrzeugs 100, d.h. einem Modus, in dem der Motor 101 ohne Gas betrieben wird, keine Verbrennung stattfinden und somit nur Luft von dem Lufteinlass 17 über den Turbolader 11 und den Einlasskrümmer 12 durch den Motor 101 gepumpt werden. Um eine Kühlung des Katalysators 2 zu vermeiden, kann die Klappe 9g geschlossen und die Klappe 9b geöffnet werden, sodass die gesamte durch die Gasleitung 16 von dem Motor 101 strömende Luft in den Gastank 1 stromaufwärts des Gaseinlasses 4 abgeleitet wird (nach dem Passieren des Kompressors 7 und der ebenfalls geöffneten Klappe 9c). Infolgedessen werden der Katalysator 2 und insbesondere die SCR-Vorrichtung 15 nicht durch den Luftstrom abgekühlt. So kann in der nächsten Verbrennungsphase des Motors 101 ein besserer Wirkungsgrad des katalytischen Prozesses erreicht werden, da durch eine höhere Temperatur der SCR-Vorrichtung 2 die NOx-Emissionen mit einem höheren Wirkungsgrad reduziert werden.
  • Bevor Luft und/oder Abgas in den Gastank 1 gepumpt wird, kann die Steuereinheit 20 des Systems 10 über den/die Drucksensor(en) 19 des Gastanks 1 überprüfen, ob der Gastank 1 teilweise oder vollständig mit Luft und/oder Abgas gefüllt ist. Je nach Ergebnis kann der Gastank 1 zuerst entleert werden, z.B. durch Abblasen der gespeicherten Luft und/oder des Abgases an dem Abgasauslass 6 (durch Öffnen der Klappe 9a). Sobald der Gastank 1 während der Leerlaufphase (teilweise) mit Luft gefüllt ist, kann die gespeicherte Luft für verschiedene Zwecke genutzt werden.
  • Alternativ kann die Luft jedoch ebenso einfach an dem Abgasauslass 6 durch Öffnen der Klappen 9a und 9h unter Umgehung des Katalysators 2 abgeblasen werden.
  • Die gespeicherte Luft kann jedoch auch zur Verstärkung des Motors 101 verwendet werden, indem die unter Druck gesetzte Luft aus dem Gastank 1 in den Turbolader 11 und/oder den Einlasskrümmer 12 des Motors 101 geleitet wird. Zu diesem Zweck kann die Klappe 9f und/oder die Klappe 9e geöffnet werden. Dies kann besonders nützlich sein in einer Turbolochphase des Motors 101, d.h. einer Betriebsphase, in der der Turbolader 11 keinen ausreichenden Druck unter Verwendung des Abgasstroms des Motors 101 aufbauen kann, z.B. bei niedriger Drehzahl des Motors 101. Als Vorteil dieser Strategie können auch bei niedrigen Motordrehzahlen hohe Ladedrücke erreicht werden, mit denen eine Drehzahlreduzierung des Motors 101 bei hohen Übersetzungen realisiert werden kann, was wiederum zu einer verbesserten Emissionsreduzierung führen kann.
  • Die Steuereinheit 20 kann dazu ausgebildet sein, zu entscheiden, welche Maßnahmen auf der Grundlage der zu erwartenden Betriebsphase zu ergreifen sind, z.B. nach einer Leerlaufphase. Zu diesem Zweck können maschinelle Lernverfahren genutzt werden, um den Regelfluss als Funktion der Zeit zu optimieren. Beispielsweise können Fahrmuster verwendet werden, um eine bevorstehende Leerlauf- und/oder Boostphase bei einem bestimmten Konfidenzniveau vorherzusagen.
  • Ein Kaltstart des Motors 101 ist eine weitere exemplarische Betriebsphase. In diesem Fall wird Abgas von dem Motor 101 durch die Gasleitung 16 ausgestoßen. Da der Katalysator 2, insbesondere die SCR-Vorrichtung 15, möglicherweise noch nicht seine Betriebstemperatur erreicht hat, d.h. die aktuelle Temperatur des Konverters 2 unter der Starttemperatur liegt, werden die Emissionen im Abgas nicht ausreichend reduziert. Aus diesem Grund kann die Klappe 9h geschlossen und die Klappen 9a und 9c geöffnet werden, sodass das Abgas nicht an dem Abgasauslass 6 austreten kann, sondern in den Gastank 1 abgeleitet wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Abgas durch Öffnen der Klappe 9b (und möglicherweise durch Verschließen der Klappe 9g) vor dem Gaseinlass 4 des Katalysators 2 abgeleitet werden. Um zu bestimmen, ob sich der Motor 101 in einer Kaltstartphase befindet, können in dem Katalysator 2 und/oder in dem Motor 101 geeignete Sensoren vorgesehen werden (z.B. Temperatursensoren). Ein Drucksensor des Gastanks 1 kann die Steuereinheit 20 informieren, ob der Gastank 1 leer oder (teilweise) gefüllt ist. Bei Bedarf kann der Gastank 20 entleert werden, bevor das Abgas in dem Gastank 1 gespeichert wird.
  • Sobald die Temperatur der SCR-Vorrichtung 15 und/oder des Katalysators 2 einen bestimmten Schwellenwert (z.B. eine Startschwelle) überschritten hat, kann das gespeicherte Abgas aus dem Gastank 1 in den Katalysator 2 abgeleitet werden, z.B. an dem Gaseinlass 4 durch Öffnen der Klappen 9c, 9b und 9g. Da der Katalysator 2 nun ordnungsgemäß arbeitet, kann die Klappe 9h geöffnet werden, sodass das behandelte Gas an dem Abgasauslass 6 austreten kann. Alternativ kann das Abgas auch indirekt in den Katalysator 2 abgeleitet werden, indem dieses zunächst durch den Motor 101 geleitet wird, z.B. direkt an dem Einlasskrümmer 12. Zu diesem Zweck kann anstelle der Klappen 9c und 9b die Klappe 9e geöffnet werden. Das Abgas kann somit in einem EGR-System verwendet werden, um die interne NOx-Reduktion des Motors 101 zu erhöhen. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass das Abgas auch bei niedriger Last oder niedriger Geschwindigkeit des Motors 101 in großen Mengen zirkuliert werden kann, wo der Turbolader 11 Schwierigkeiten hätte, den erforderlichen Druck alleine zu erreichen.
  • In ähnlicher Weise kann das vom Motor 101 stammende Abgas bei einem Beschleunigungsmanöver des Fahrzeugs 100 auch stromaufwärts oder stromabwärts des Katalysators 2 in den Gastank 1 abgeleitet werden (z.B. kann ein Sensor vorgesehen werden, der einen Beschleunigungsgradienten des Motors 101 misst). Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass typische Katalysatoren 2 möglicherweise nicht mit dem abrupten Emissionsanstieg während eines solchen Vorgangs zurechtkommen, sodass die Emissionen nicht optimal behandelt werden können. Auch in diesem Fall kann das Abgas in den Gastank 1 abgeleitet und von dort in einer späteren Phase wieder in den Katalysator 2 (und/oder in den Motor 101) geleitet werden. Auch in diesem Fall können maschinelle Lernverfahren eingesetzt werden, um bestimmte Fahrmuster des Fahrzeugs 100 vorherzusagen, z.B. um eine bevorstehende Beschleunigungsphase vorherzusagen.
  • In dem Gastank 1 gespeichertes Abgas kann darüber hinaus für andere Zwecke verwendet werden. In einem Beispiel kann das Abgas zum Ankurbeln verwendet werden, indem die Klappe 9d geöffnet und das Abgas zu einer Düse 8 geleitet wird, die das Abgas freisetzt, um den Turbolader 11 anzutreiben und somit zu einer Erhöhung des Ladedrucks zu führen.
  • Zusammenfassend kann ein Gastank 1 zur Zwischenspeicherung von Luft und/oder Abgas aus dem Verbrennungsmotor 101 verwendet werden, um die Leistung der Abgasnachbehandlung sowie der des Motors 101 zu erhöhen. Das Abgas kann sowohl während einer Kaltstartphase als auch während der Beschleunigungsphasen in dem Gastank 1 gespeichert werden. Darüber hinaus kann Luft in dem Gastank 1 in einer Leerlaufphase gespeichert werden. Die gespeicherte Luft und/oder das gespeicherte Abgas kann zum Ankurbeln des Motors 101 und/oder des Turboladers 11 des Motors 101 verwendet werden.
  • In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, nicht jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung unmittelbar klar sein.
  • So können beispielsweise unterschiedliche Anordnungen der Verteilerleitungen 18 und Klappen 9a-h in Betracht gezogen werden. Das System kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, lediglich Luft oder Abgas zu speichern. Konsequenterweise müssen in diesen Fällen nicht alle in 1 dargestellten Klappen und Verteilerleitungen erforderlich sein.
  • Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung unmittelbar klar sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gastank
    2
    Katalysator
    3
    Gasverteilersystem
    4
    Gaseinlass
    5
    Gasauslass
    6
    Abgasauslass
    7
    Kompressor
    8
    Düse
    9a-h
    Klappe
    10
    System zur Abgasnachbehandlung
    11
    Turbolader
    12
    Einlasskrümmer
    13
    Oxidationskatalysator
    14
    Partikelfilter
    15
    Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR)
    16
    Gasleitung
    17
    Lufteinlass
    18
    Verteilerleitung
    19
    Drucksensor
    20
    Steuereinheit
    100
    Kraftfahrzeug
    101
    Verbrennungsmotor
    M
    Verfahren
    M1-M3
    Verfahrensschritte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007022494 A1 [0005]
    • WO 2013/050442 A1 [0006]

Claims (17)

  1. System (10) zur Abgasnachbehandlung umfassend: einen Katalysator (2), welcher dazu ausgebildet ist, Abgas von einem Verbrennungsmotor (101) katalytisch zu behandeln, wobei der Katalysator (2) einen Gaseinlass (4) zum Aufnehmen von Luft und/oder Abgas von dem Verbrennungsmotor (101) und einen Gasauslass (5) zum Auslassen von behandeltem Gas umfasst; einen Gastank (1), welcher dazu ausgebildet ist, Luft und/oder Abgas vorübergehend zu speichern; und ein Gasverteilersystem (3), welches dazu ausgebildet ist, zumindest einen Anteil der Luft und/oder des Abgases von dem Verbrennungsmotor (101) selektiv zu einem Gastank (1) stromaufwärts von dem Gaseinlass (4) des Katalysators (2) und/oder stromabwärts von dem Gasauslass (5) des Katalysators (2) abzuleiten und in dem Gastank (1) gespeicherte Luft und/oder Abgas selektiv zu zumindest einem von dem Katalysator (2), einem Abgasauslass (6) und dem Verbrennungsmotor (101) zu leiten.
  2. System (10) nach Anspruch 1, wobei das Gasverteilersystem (3) dazu ausgebildet ist, Luft von dem Verbrennungsmotor (101) zu dem Gastank (1) stromaufwärts von dem Gaseinlass (4) des Katalysators (2) abzuleiten während einer Leerlaufphase des Verbrennungsmotors (101).
  3. System (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gasverteilersystem (3) dazu ausgebildet ist, in dem Gastank (1) gespeicherte Luft zu dem Verbrennungsmotor (101) zu leiten während einer Turbolochphase des Verbrennungsmotors (101), wobei die Luft in einen Turbolader (11) und/oder einen Einlasskrümmer (12) des Verbrennungsmotors (101) geleitet wird.
  4. System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gasverteilersystem (3) dazu ausgebildet ist, Abgas von dem Verbrennungsmotor (101) zu dem Gastank (1) flussaufwärts von dem Gaseinlass (4) des Katalysators (2) und/oder stromabwärts von dem Gasauslass (5) des Katalysators (2) abzuleiten während einer Kaltstartphase und/oder einer Beschleunigungsphase des Verbrennungsmotors (101).
  5. System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gasverteilersystem (3) dazu ausgebildet ist, in dem Gastank (1) gespeichertes Abgas zu dem Gaseinlass (4) des Katalysators (2) zu leiten, wenn eine Betriebstemperatur des Katalysators (2) eine Starttemperatur des Katalysators (2) überschreitet.
  6. System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gasverteilersystem (3) dazu ausgebildet ist, in dem Gastank (1) gespeichertes Abgas zu dem Verbrennungsmotor (101) zu leiten während einer Abgasrückführungsphase des Verbrennungsmotors (101).
  7. System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gasverteilersystem (3) dazu ausgebildet ist, in dem Gastank (1) gespeichertes Abgas zu einem Turbolader (11) des Verbrennungsmotors (101) zu leiten während einer Turboladephase des Verbrennungsmotors (101).
  8. System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Gasverteilersystem (3) einen Kompressor (7) umfasst, der dazu ausgebildet ist, Luft und/oder Abgas unter Druck zu setzen, welches zu und/oder von dem Gastank (1) geleitet wird.
  9. Kraftfahrzeug (100) mit einem Verbrennungsmotor (101) und einem System (10) zur Abgasnachbehandlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Kraftfahrzeug (100) gemäß Anspruch 9, wobei der Gastank (1) in einem Kofferraum, einer Reserveradmulde oder einem Unterboden des Kraftfahrzeugs (100) angeordnet ist.
  11. Verfahren (M) zur Abgasnachbehandlung, umfassend: selektives Ableiten (M1) von Luft und/oder Abgas von einem Verbrennungsmotor (101) in einen Gastank (1) stromaufwärts von einem Gaseinlass (4) eines Katalysators (2) und/oder stromabwärts von einem Gasauslass (5) des Katalysators (2); vorübergehendes Speichern (M2) der Luft und/oder des Abgases in dem Gastank (1); und selektives Leiten (M3) von in dem Gastank (1) gespeicherter Luft und/oder Abgas zu zumindest einem von dem Katalysator (2), einem Abgasauslass (6) und dem Verbrennungsmotor (101).
  12. Verfahren (M) nach Anspruch 11, wobei Luft von dem Verbrennungsmotor (101) zu dem Gastank (1) stromaufwärts von dem Gaseinlass (4) des Katalysators (2) umgeleitet wird während einer Leerlaufphase des Verbrennungsmotors (101).
  13. Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei Abgas von dem Verbrennungsmotor (101) zu dem Gastank (1) stromaufwärts von dem Gaseinlass (4) des Katalysators (2) und/oder stromabwärts von dem Gasauslass (5) des Katalysators (2) umgeleitet wird während einer Kaltstartphase und/oder einer Beschleunigungsphase des Verbrennungsmotors (101).
  14. Verfahren (M) nach Anspruch 11 oder 12, wobei Luft von dem Gastank (1) zu dem Verbrennungsmotor (101) geleitet wird während einer Tubolochphase des Verbrennungsmotors (101), wobei die Luft in einen Turbolader (11) und/oder einen Einlasskrümmer (12) des Verbrennungsmotors (101) geleitet wird.
  15. Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei Abgas von dem Gastank (1) zu dem Gaseinlass (4) des Katalysators (2) geleitet wird, wenn eine Betriebstemperatur des Katalysators (2) eine Starttemperatur des Katalysators (2) überschreitet.
  16. Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei Abgas von dem Gastank (1) zu dem Verbrennungsmotor (101) geleitet wird während einer Abgasrückführungsphase des Verbrennungsmotors (101).
  17. Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei Abgas von dem Gastank (1) zu einem Turbolader (11) des Verbrennungsmotors (101) geleitet wird während einer Turboladephase des Verbrennungsmotors (101).
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