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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Nachbehandlung eines Abgases einer Brennkraftmaschine aufweisend eine erste Nachbehandlungskomponente und eine zweite Nachbehandlungskomponente. Die erste und die zweite Nachbehandlungskomponente sind dabei gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird und mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung ausgestattet ist.
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Im Stand der Technik sind zur Verbesserung der Konvertierung von Abgasen nach einem Kaltstart unterschiedliche Maßnahmen bekannt, die beispielsweise die gezielten Auslegungen von Substraten und Beschichtungen, den Einsatz von Heizkatalysatoren, Brennern oder motorischen Heizmaßnahmen vorsehen.
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Weiterhin ist für die Verbesserung der Abgasnachbehandlung nach einem Kaltstart die Anordnung eines SCR-Katalysators (Selective Catalytic Reaction) vor einem SCR-Dieselpartikelfilter (SDPF) grundsätzlich bekannt. In der Regel hat dabei ein SDPF aufgrund seiner geringeren Zelldichte jedoch gegenüber einem SCR-Katalysator eine niedrigere Washcoatmenge und gleichzeitig eine höhere thermische Masse. Dies führt beispielsweise bei einem Kaltstart zu einem deutlich schlechteren Anspringverhalten. Das heißt, die gewünschte Abgasnachbehandlung setzt erst deutlich später ein, als dies bei einem SCR-Katalysator der Fall ist. Um diesen Nachteil zu kompensieren, wird beispielsweise der Ansatz verfolgt, vor den SDPF einen SCR-Katalysator anzuordnen.
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Die bislang bekannten Lösungen haben jedoch unterschiedliche Nachteile. So treten bei der Auslegung verschiedene Zielkonflikte beispielsweise hinsichtlich dem Kaltstartverhalten, dem NOx-Umsatz, dem Filtervermögen und auch dem für die Abgasnachbehandlung benötigten Bauraum auf.
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Bei der Anordnung eines SCR-Katalysators vor dem SDPF tritt noch ein anderer Zielkonflikt im Hinblick auf die Funktionalität einerseits und dem Streben nach einem möglichst geringen Kraftstoffverbrauch auf. So soll der NOx-Umsatz möglichst hoch sein und möglichst schnell erfolgen, während gleichzeitig der Kraftstoffmehrverbrauch möglichst gering sein und nicht ansteigen soll. In der Regel steigt aber der Kraftstoffverbrauch an, da eine zusätzliche Erwärmung des SCR-Katalysators mittels Kraftstoffs während der Regeneration des SDPF erforderlich ist. Ein zweiter Zielkonflikt entsteht vor dem Hintergrund des in der Regel in Motornähe nur sehr geringen zur Verfügung stehenden Bauraums. Einerseits ist es wünschenswert ein großes Volumen des SCR-Katalysators vorzusehen, um einen hohen NOx-Umsatz zu erreichen. Andererseits ist ein großes SDPF-Volumen wünschenswert, um zwischen den Regenerationsvorgängen über eine möglichst lange Zeit Asche- und Rußeinlagerungen aufnehmen zu können, wodurch die Regeneration seltener erforderlich wird und Kraftstoff eingespart werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine besonders kompakte und haltbare Abgasnachbehandlungsvorrichtung geschaffen werden, die eine möglichst vollständige Abgasnachbehandlung ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 10 bei.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängig formulierten Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Die vorgeschlagene Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Nachbehandlung eines Abgases einer Brennkraftmaschine weist eine erste Nachbehandlungskomponente und eine zweite Nachbehandlungskomponente auf, wobei die erste und die zweite Nachbehandlungskomponente gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sind. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden Nachbehandlungskomponenten fest miteinander verbunden sind.
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Nachbehandlungskomponenten sind dabei solche Komponenten einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die dazu geeignet sind eine Konvertierung/Umwandlung von Bestandteilen des Abgases zu bewirken, Stoffe aus dem Abgas filtern oder Stoffe in das Abgas einbringen.
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Unter der Zelldichte ist dabei die im durchströmten Querschnitt der Nachbehandlungskomponente durchströmte Anzahl von Zellen pro Flächeneinheit zu verstehen. Das heißt, je größer die Zelldichte einer Nachbehandlungskomponenten ist, desto mehr durchströmbare Zellen sind in deren Querschnitt je Flächeneinheit angeordnet.
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Als Washcoat wird der auf der Oberfläche der Nachbehandlungskomponenten angeordnete Bestandteil bezeichnet, der die zerklüftete Oberfläche für ein katalytisch aktives Material bereitstellt und damit die gewünschte reaktive Nachbehandlung des Abgases bewirkt.
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Die vorliegende Erfindung hat erkannt, dass es vorteilhaft ist zwei Nachbehandlungskomponenten in einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu verwenden und beide Nachbehandlungskomponenten dabei stirnseitig miteinander fest zu verbinden. Die feste Verbindung kann insbesondere nicht über ein gemeinsames Gehäuse sondern auch ohne Gehäuse vorliegen. Insbesondere ist es möglich, dass die feste Verbindung (nur) über die Stirnseiten der einander gegenüberliegenden Nachbehandlungskomponenten realisiert sein. Es ist möglich, dass die einander gegenüberliegenden Stirnseiten der Nachbehandlungskomponenten im Wesentlichen plan und/oder zueinander parallel angeordnet sind und mit den Enden der die Zellen bildenden Wände gebildet sind. Es ist möglich, dass die Stirnflächen eine zerklüftete Kontur ausbilden, wobei die einander gegenüberliegenden Stirnseiten der Nachbehandlungskomponenten kongruierende bzw. zueinander passende Erhöhungen und Tiefen in den Stirnflächen ausbilden. Die feste Verbindung kann über die Enden der Wände und/oder über separate Bauteile gebildet sein, wobei diese (bevorzugt ausschließlich) mit den gegenüberliegenden Stirnseiten, Wänden und /oder Zellen zusammenwirken. Die separaten Bauteile können zumindest für eine der beiden Nachbehandlungskomponenten eine Zusatzfunktion erfüllen, wie z.B. eine Strömungsblockade für eine oder mehrere Zellen. Ein separates Bauteil kann ein Filterstopfen oder dergleichen sein. Die feste Verbindung kann ein stoffschlüssiges Verbindungsmedium umfassen, z.B. einen Kleber. Eine „feste“ Verbindung in diesem Sinne ist insbesondere eine solche, die den Umgebungsbedingungen in einem (mobilen) Abgassystem standhält.
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So kann beispielsweise die erste Nachbehandlungskomponente als scheibenförmiges Durchflusssubstrat und die zweite Nachbehandlungskomponente als großvolumiges Filtersubstrat ausgebildet werden. Somit wird insbesondre ein kombiniertes Durchfluss-Filtersubstrat vorgeschlagen. Da in der Regel nur ein sehr eingeschränkter Bauraum für die Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Verfügung steht und dieser Bauraum insbesondere in Motornähe besonders kostbar ist, hilft die vorliegende Erfindung dabei diesen Bauraum einzusparen. Die vorliegende Erfindung hat erkannt, dass es in der Praxis häufig bereits ausreichend ist, einen SCR-Katalysator zu verwenden, der nur ein kleines Katalysatorvolumen aufweist. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn nur ein stark eingeschränkter Bauraum für die Abgasnachbehandlung zur Verfügung steht.
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Durch die Erfindung wird es nun möglich, dass die erste Nachbehandlungskomponente scheibenförmig und damit besonders schmal ausgebildet werden kann. Hierdurch kann der kostbare Bauraum eingespart und stattdessen für einen beispielsweise unmittelbar nachgelagerten Dieselpartikelfilter genutzt werden. Hierbei gilt, je größer das Volumen eines Dieselpartikelfilter ist, desto seltener ist eine Regeneration erforderlich. Gleichzeitig reduziert sich mit der Anzahl der erforderlichen Regenerationsvorgänge auch die für die Regeneration erforderliche Kraftstoffmenge. Insbesondere ist der für das durchströmende Abgas zur Verfügung stehende Querschnitt der ersten Nachbehandlungskomponente in Form und Größe genau so gestaltet wie der Querschnitt der zweiten Nachbehandlungskomponente. Hierdurch können beispielsweise Übergangstrichter vermieden werden, die andernfalls erforderlich wären, um unterschiedliche Querschnitte miteinander zu verbinden. Mit dem Entfallen solcher Übergangstrichter kann letztendlich auch der dafür benötigte Bauraum eingespart werden.
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Die Erfindung ist somit in der Lage, zwei Nachbehandlungskomponenten in besonders kompakter Weise unmittelbar hintereinander anzuordnen und das durchströmende Abgas in zwei aufeinanderfolgenden Behandlungsschritten zu behandeln bzw. zu reinigen. Weiterhin wird auch die Montage einer derart gestalteten Abgasnachbehandlungsvorrichtung vereinfacht, da beide Nachbehandlungskomponenten zusammen in dem Gehäuse angeordnet werden können. Insbesondere entfällt dabei die Schwierigkeit die Nachbehandlungskomponente im Gehäuse zu befestigen, wenn eine dieser Nachbehandlungskomponenten besonders schmal bzw. scheibenförmig ausgebildet ist. Indem nun beide Nachbehandlungskomponenten fest miteinander verbunden sind, können diese viel besser innerhalb des Gehäuses positioniert und dauerhaft, sicher und zuverlässig darin befestigt werden.
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Sowohl die erste als auch die zweite Nachbehandlungskomponente können dabei wahlweise als keramische Wabenkörper ausgeführt sein, die beispielsweise aus einem Werkstoff wie Cordierit, Siliciumcarbid, Aluminumtitanat oder ähnlichem gefertigt sind. Die Wabenkörper können dabei je nach Bedarf gleiche oder unterschiedlich große Zelldichten aufweisen.
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Insbesondere kann zur Weiterbildung der Erfindung vorgesehen werden, dass die in einer Strömungsrichtung des Abgases zuerst angeströmte erste Komponente eine größere Zelldichte als die dahinterliegende zweite Komponente aufweist. Dazu können beispielsweise das Substrat der ersten Nachbehandlungskomponente und das Substrat der zweiten Nachbehandlungskomponente in getrennten Extrusionsverfahren gefertigt werden.
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So kann die Zelldichte des Substrats der ersten Nachbehandlungskomponente, wie beispielsweise eines SCR Katalysators, gegenüber der Zelldichte der nachfolgenden zweiten Nachbehandlungskomponente, wie beispielsweise einem Filtersubstrat eines Dieselpartikelfilter, um den Faktor 4 erhöht sein. Hierzu kann der SCR-Katalysator beispielsweise mit einer Zelldichte von 1200 cpsi (cells per square inch) und der Dieselpartikelfilter (SDPF) mit einer Zelldichte von 300 cpsi ausgebildet sein. Weiterhin können im Filtersubstrat Filterstopfen vorgesehen werden, die die gegenüberliegenden Kanäle des Partikelfilters wechselweise verschließen, so dass ein geschlossenes Filtersystem entsteht. Weiterhin können bei einer Ausführungsform wenigstens an der unmittelbar an der zweiten Nachbehandlungskomponente anliegenden Seite der ersten Nachbehandlungskomponente in einem Teil der Kanäle ebenfalls Filterstopfen vorgesehen werden. Weist die erste Nachbehandlungskomponente beispielsweise die zuvor erwähnte vierfache Zelldichte gegenüber der zweiten Nachbehandlungskomponente auf, so können dort jeweils vier nebeneinander liegende Kanäle mit einem Filterstopfen verschlossen werden. Die so vorbereiteten Nachbehandlungskomponenten können dann an den jeweils gegenüberliegenden Filterstopfen dauerhaft und einteilig miteinander verbunden werden. Dabei kann an der Vielzahl der Stopfen eine ausreichende Verbindung zwischen beiden Nachbehandlungskomponente erzeugt werden.
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Bevorzugt werden die fertigen Substrate danach mit einer Wirkbeschichtung, dem sogenannten Washcoat, beschichtet. Hierzu können beispielsweise auf die als Durchflusssubstrat ausgebildete erste Nachbehandlungskomponente Beschichtungen aufgebracht werden, die als SCR-Katalysator, als passiver NOx-Adsorber, als NOx-Speicherkat, als Oxikat oder als Drei-Wege-Katalysator wirken. Auf der als Filtersubstrat ausgebildeten zweiten Nachbehandlungskomponente können Beschichtungen aufgebracht werden, die als SPDF-Beschichtung, als NOx-Speicherkat, als Oxikat oder als Drei-Wege-Kat wirken.
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Grundsätzlich gilt jedoch, dass die größere Zelldichte der ersten Nachbehandlungskomponente die Möglichkeit bietet, mehr Washcoat auf dem Substrat aufzutragen und damit die katalytisch aktive Oberfläche und/oder Wirksamkeit der Abgasnachbehandlung in diesem Schritt zu verbessern.
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Alternativ können aber auch andere Verhältnisse der Zelldichten der ersten und zweiten Nachbehandlungskomponente verwendet werden. Hierdurch können beispielsweise Ausführungen geschaffen werden, die gegendruckoptimiert ausgelegt sind und bei denen die Filterstopfen der ersten Nachbehandlungskomponente einen geringeren Querschnitt aufweisen als die Filterstopfen der daran angrenzenden zweiten Nachbehandlungskomponente. Hierbei ist jedoch stets zu beachten, dass eine ausreichende Festigkeit bei der Verbindung der Nachbehandlungskomponente über die gegenüberliegenden Filterstopfen erzeugt werden kann. Gegebenenfalls ist dabei auch möglich die Filterstopfen einer Nachbehandlungskomponente in die gegenüberliegenden freien Zellen bzw. Filterkanäle hineinragen zu lassen und hierdurch die Festigkeit der Verbindung der beiden Nachbehandlungskomponenten zu erhöhen.
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Insbesondere kann vorgesehen werden, dass die erste Nachbehandlungskomponente ein Verhältnis von deren Länge in Strömungsrichtung des Abgases zu deren Durchmesser von weniger als 0,7, vorzugsweise von weniger als 0,5 und insbesondere von weniger als 0,3, aufweist. Während bislang einzelne scheibenförmige Nachbehandlungskomponenten in der Regel eine Mindestlänge aufweisen mussten, die größer als deren 0,7-facher Durchmesser war, können mit der vorliegenden Erfindung und der damit einhergehenden Verbindung der beiden Nachbehandlungskomponenten jetzt auch schmalere Komponenten mit Verhältnissen von deutlich weniger als 0,7 realisiert und stabil im Gehäuse untergebracht werden. Dieser Schritt des Herstellungsprozesses wird auch Canning genannt. Eine so besonders schlank gestaltete scheibenförmige Nachbehandlungskomponente weist einen geringen Bauraumbedarf auf und zeigt aufgrund der reduzierten Masse gleichzeitig ein besonders schnelles Ansprechverhalten, beispielsweise nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es auch, wenn die erste Nachbehandlungskomponente mittels eines Durchflusssubstrats ausgebildet ist. Ein solches Durchflusssubstrat weist offene Zellen auf, die vom Abgas frei durchströmbar sind. Diese Art von Substrat ist insbesondere für SCR-Katalysatoren geeignet.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die zweite Nachbehandlungskomponente mittels eines Filtersubstrats ausgebildet ist. Die Zellen eines Filtersubstrats sind dabei an den gegenüberliegenden Enden abwechselnd mit Stopfen verschlossen, so dass das Abgas auf dem Weg von einer Einlassseite zu einer Auslassseite stets durch eine Zellwand hindurch von einer Zelle zu einer benachbarten Zelle durchströmen muss, bevor es aus der so gestalteten geschlossenzelligen Nachbehandlungskomponente wieder ausströmen kann. Diese Bauform eignet sich insbesondere für Dieselpartikelfilter, wie DPF oder SDPF.
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Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die erste Nachbehandlungskomponente und die zweite Nachbehandlungskomponente durch ein (separates) Verbindungsmittel fest miteinander verbunden sind.
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Ein Verbindungsmittel kann mindestens ein Verbindungselement sein, dass z. B. wenigstens teilweise in eine Zelle bzw. einen Kanal der der ersten und/oder zweiten Nachbehandlungskomponente eindringt. Das Verbindungselement kann als Filterstopfen ausgebildet sein. Es ist möglich, dass das Verbindungselement mit mindestens einem Kanal bzw. einer Zelle einer Nachbehandlungskomponente formschlüssig ausgeführt ist. Die kann auch für unterschiedliche Größen und/oder Formen der Zellen bzw. Kanäle beider Nachbehandlungskomponenten gelten und oder für eine unterschiedliche Anzahl in je einer Nachbehandlungskomponente.
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Mindestens ein Verbindungselement kann an seinen beiden Enden, die mit der jeweils anderen Nachbehandlungskomponente zusammenwirken, eine unterschiedliche Form, insbesondere einen voneinander abweichenden Querschnitt aufweisen.
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Eine schlanke scheibenförmige erste Komponente kann dann gemeinsam mit der zweiten Komponente sicher montiert und dauerhaft und sicher im Gehäuse befestigt werden. Dies kann beispielsweise mittels eines Keramikklebers erfolgen, mit dem beispielsweise der SCR-Katalysator und der SDPF an den verschlossenen und einander gegenüberliegenden Kanälen dauerhaft zusammen geklebt werden können. Der Kleber kann mit einem Verbindungselement und/oder direkt mit den Nachbehandlungskomponenten zusammenwirken.
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Hierbei kann durch die Vielzahl der miteinander verbundenen Filterstopfen eine ausreichende Haftfläche und damit Haftkraft erzeugt werden. Noch weiter gesteigert werden kann diese Haftkraft, wenn die Filterstopfen einer Nachbehandlungskomponente so ausgebildet sind, dass sie in die freien Zellen der benachbarten Nachbehandlungskomponente hineinragen und in diesem Zustand mittels des Verbindungsmittel verbunden sind.
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Besonders günstig ist es dabei, wenn die Nachbehandlungskomponenten Markierungen und/oder Führungsmittel aufweisen, die das korrekte Zusammenfügen und die korrekte Orientierung der Nachbehandlungskomponenten zueinander erleichtern bzw. sicherstellen. Hierdurch kann vermieden werden, dass die Nachbehandlungskomponenten zueinander verdreht miteinander verbunden werden. Insbesondere können die Substrate der zu verbindenden Nachbehandlungskomponenten derart zueinander komplementär geformt werden, dass diese nur einer bestimmten Position zusammenfügbar sind.
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Ganz besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Nachbehandlungskomponente mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt und einteilig ausgebildet sind. Insbesondere die Herstellung mittels eines 3D-Druckverfahrens ermöglicht eine viel größere Gestaltungsfreiheit bei der Auslegung der Substrate der Nachbehandlungskomponenten. So können beispielsweise mit additiven Herstellungsverfahren auch Hinterschneidungen gefertigt werden, die mit den bislang üblichen Fertigungsverfahren nicht darstellbar waren. Insbesondere die Ausbildung der Filterstopfen ist mit diesem Herstellungsverfahren besonders einfach darstellbar. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von additiven Herstellungsverfahren besteht darin, dass die erste und zweite Nachbehandlungskomponente einstückig gefertigt werden können. Eine nachträgliche Verbindung der beiden Nachbehandlungskomponenten kann somit entfallen.
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Insbesondere kann auch vorgesehen werden, dass die erste Nachbehandlungskomponente eine Zelldichte von wenigstens Zellen 500 cpsi und die zweite Nachbehandlungskomponente eine Zelldichte von höchstens 900 cpsi aufweist. Idealerweise liegt dabei die Zelldichte der ersten Nachbehandlungskomponente über der Zelldichte der zweiten Nachbehandlungskomponente, um auf der scheibenförmigen ersten Nachbehandlungskomponente eine möglichst große Oberfläche zur Aufbringung eines Washcoats darstellen zu können und gleichzeitig einen niedrigen Gegendruck des durchströmenden Abgases über der zweiten Nachbehandlungskomponente zu erreichen.
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Als besonders geeignete Werkstoffe für die Herstellung der Substrate der Nachbehandlungskomponenten hat es sich erwiesen, wenn diese aus wenigstens einem der folgenden Stoffe Cordierit, Siliziumkarbid oder Aluminiumtitanoxid hergestellt sind.
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Insbesondere profitiert im Weiteren ein Kraftfahrzeug, wie beispielsweise ein Personenkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine von der vorliegenden Erfindung, wenn dieses mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, da der zur Verfügung stehende Bauraum in verbesserter Weise für die Abgasnachbehandlung ausgenutzt wird. So kann beispielsweise die Abgasnachbehandlung mittels zweier Nachbehandlungskomponenten durchgeführt werden und gleichzeitig ein großes Speichervolumen des SDPF erhalten werden. Die verbesserte Abgasnachbehandlung kann somit ohne einen zusätzlichen Kraftstoffverbrauch erreicht werden. Zudem wird die Lebensdauer der Abgasnachbehandlungsvorrichtung verbessert, indem beide Nachbehandlungskomponenten gemeinsam und sicher im Gehäuse angeordnet sind.
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Insbesondere schlägt die Erfindung die Verwendung einer hier offenbarten „feste Verbindung“ für zweier Nachbehandlungskomponenten zur platzsparenden, effizienten und/oder strömungsangepassten Integration in eine Abgasanlage vor. Dies gilt insbesondere für die Kombination von Katalysatorträger und Filterkörper.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: eine Frontansicht mit einer seitlichen Schnittansicht einer ersten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung;
- 2: Frontansicht auf ein Stopfenbild mit einem Zelldichteverhältnis von 2,25;
- 3: Frontansicht auf ein unregelmäßiges Stopfenbild;
- 4: eine Frontansicht mit einer seitlichen Schnittansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung;
- 5: eine Frontansicht mit einer seitlichen Schnittansicht einer dritten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung und
- 5: ein Kraftfahrzeug mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In 1 sind eine erste Nachbehandlungskomponente 1 und eine zweite Nachbehandlungskomponente 2 in einer Frontansicht und einer seitlichen Schnittdarstellung gezeigt. Die linksseitig dargestellte Frontansicht zeigt eine Vielzahl von vertikalen Trennwänden 3 und horizontalen Trennwänden 4, die sich innerhalb der ersten Nachbehandlungskomponente 1 und der zweite Nachbehandlungskomponente 2 erstrecken. Die Trennwände 3 und 4 umschließen dabei jeweils Zellen 5, durch die das zu behandelnde Abgas einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine 6 hindurchströmt. Die Zellen 5 weisen grundsätzlich eine quadratische Querschnittsfläche auf. Abweichungen von dieser Grundform treten nur im Randbereich auf, wo die rechteckige Querschnittsfläche durch eine kreisrunde Außenfläche 7 der Nachbehandlungskomponenten 1 und 2 begrenzt wird. Beim Herstellungsprozess ist es hilfreich eine Markierung auf dem Umfang der Substrate anzubringen, damit die Substrate später mit der richtigen Ausrichtung zusammengefügt werden können.
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Dazu sind an einer Oberseite der Nachbehandlungskomponenten 1, 2 zwei Markierungen 8 an der Außenfläche 7 angebracht. Die Markierungen 8 dienen dazu den korrekten Zusammenbau der Nachbehandlungskomponente 1, 2 zu erleichtern und sicherzustellen. In dem vorliegenden Beispiel sind die Markierungen 8 jeweils im Bereich derjenigen Stirnseiten der Nachbehandlungskomponenten 1, 2 angebracht, die miteinander in Kontakt zu bringen sind. Des Weiteren sind die Markierungen 8 derart angeordnet, dass, wenn sie fluchtend hintereinander ausgerichtet werden, jeweils die vertikalen Trennwände 3 und horizontalen Trennwände 4 der beiden Nachbehandlungskomponente 1, 2 exakt hintereinander liegend angeordnet sind. Die Markierung 8 dient somit der Vereinfachung der Ausrichtung der Nachbehandlungskomponente in 1, 2 zueinander. Auf der rechten Seite der 1 ist die Schnittdarstellung entlang der Linie A-A dargestellt. In der Seitenansicht ist gut erkennbar, dass die linksseitig angeordnete erste Nachbehandlungskomponente 1 als Durchflusssubstrat ausgebildet ist. D. h., grundsätzlich können die Zellen 5 von dem zu behandelnden Abgas frei durchströmt werden. Bei der vorliegend gezeigten Ausführungsform ist die Hälfte der Zellen 5 mit Filterstopfen 9 verschlossen. Diese Filterstopfen 9 sind auch in der linken Frontansicht nochmals dargestellt. Auf der rechten Seite der Schnittdarstellung ist ferner die zweite Nachbehandlungskomponente 2 dargestellt, die mittels eines Filtersubstrats aufgebaut ist. Dies bedeutet, dass die Zellen 5 abwechselnd auf der linken Eingangsseite oder der rechten Ausgangsseite mit einem Filterstopfen 9 verschlossen sind. Dies führt dazu, dass beispielsweise ein linksseitig aus der erste Nachbehandlungskomponente 1 in die zweite Nachbehandlungskomponente 2 eintretendes Abgas zunächst nur in solche Zellen 5 eintreten kann, die linksseitig offen, d. h. nicht von einem Filterstopfen verschlossen, sind. Im weiteren Strömungsverlauf wird das eingetretene Abgas dann aber durch die rechtsseitig angeordneten Filterstopfen 9 dieser Zellen 5 daran gehindert auf der rechten Seite der zweiten Nachbehandlungskomponente 2 wieder auszutreten. Um nun auf der rechten Seite austreten zu können, muss das Abgas zunächst durch wahlweise eine vertikale Trennwand 3 oder eine horizontale Trennwand 4 in eine derjenigen benachbarten Zellen 5 übertreten, deren rechte Seite nicht durch einen Filterstopfen 9 verschlossen ist. Bei diesem Übertritt durch eine der Trennwände 3, 4 erfolgt die Filterung von Dieselpartikeln. Hierbei handelt es sich somit um einen Dieselpartikelfilter. Zusätzlich zu der reinen mechanischen Filterwirkung können auf den Trennwänden auch reaktive Oberflächen vorgesehen sein, die beispielsweise dazu ausgebildet sind um als Oxidationskatalysator, als SCR-Katalysator oder in anderer bekannter Weise zu wirken. Die Beschichtung der Substrate mit einem Washcoat und katalytischer Beschichtung kann vor oder nach dem Zusammenkleben erfolgen. Auch im zusammengeklebten Zustand können unterschiedliche Katalysatorbeschichtungen und Beschichtungsmengen aufgebracht werden, da das kombinierte Bauteil von beiden Seiten beschichtet werden kann. Beispielsweise können die beiden Nachbehandlungskomponenten durch Unterdruck- oder Tauchverfahren über der gesamten Länge oder über eine anteiligen Länge beschichtet werden. Wenn nur anteilige Längen beschichtet werden, entstehen dadurch in Strömungsrichtung unterschiedliche Beschichtungsfolgen und/oder Beschichtungsmengen.
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Auf dem Durchflusssubstrat kann eine SCR-Beschichtung aufgebracht werden und auf dem Filtersubstrat eine SDPF-Beschichtung. Alternativ können auf dem Durchflusssubstrat allein oder kombiniert miteinander aber auch die folgenden Beschichtungen aufgebracht werden: Passiver NOx-Adsorber, NOx-Speicherkat, Oxikat, Drei-Wege-Kat. Auf dem Filtersubstrat können allein oder kombiniert miteinander die folgenden Alternativbeschichtungen aufgebracht werden: NOx-Speicherkat, Oxikat, Drei-Wege-Kat.
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Sowohl das scheibenförmige Durchflusssubstrat der erste Nachbehandlungskomponente 1 als auch das Filtersubstrat der zweite Nachbehandlungskomponente 2 können mittels eines Extrusionsverfahrens getrennt gefertigt werden. Die Zelldichte der ersten Nachbehandlungskomponente 1 ist bei der gezeigten Ausführungsform viermal so hoch wie die Zelldichte der zweiten Nachbehandlungskomponente 2. D. h., je Flächeneinheit weist die erste Nachbehandlungskomponente 4 mal mehr Zellen auf als die zweite Nachbehandlungskomponente.
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Während die in den Figuren dargestellten Zelldichten schematisch zu verstehen sind, können in der Praxis beispielsweise Zelldichte von 300 cpsi (cells per square inch) für den SDPF der zweiten Nachbehandlungskomponente 2 und von 1200 cpsi für den SCR-Katalysator der erste Nachbehandlungskomponente 1 verwendet werden. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Filterstopfen 9 an beiden Nachbehandlungskomponenten 1, 2 gleich groß ausgebildet. D. h., ein Filterstopfen 9 der ersten Nachbehandlungskomponente 1 verschließt 4 Zellen 5, während ein gleich großer Filterstopfen 9 der zweiten Nachbehandlungskomponente 2 nur eine Zelle 5 verschließt. Das Zusammenfügen der beiden Nachbehandlungskomponenten 1, 2 erfolgt durch Verbinden der gegenüber positionierten und gleichgroßen Filterstopfen 9. Dies kann beispielsweise mittels eines Keramikklebers geschehen.
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Neben dem zuvor beschriebenen Verhältnis der Zelldichte mit einem Wert von 4 können aber auch andere Verhältnisse, wie beispielsweise mit einem Wert von 2,25, verwendet werden.
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In 2 ist ein mögliches Stopfenbild für ein solches Verhältnis der Zelldichte von Durchflusssubstrat zu Filtersubstrat von 2,25 dargestellt. Hierbei beträgt beispielsweise die Zelldichte des Durchflusssubstrats 675 cpsi und die des Filtersubstrats 300 cpsi oder im Falle hochzelligerer Substrate eine Zelldichte des Durchflusssubstrates von 1350 cpsi und des Filtersubstrats von 600 cpsi.
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Bei dieser Ausführungsform weisen die Filterstopfen 9 des Durchflusssubstrats eine geringere Fläche auf als die Stopfen des Filtersubstrats. Es können mehr Filterstopfen 9 auf dem Durchflusssubstrat eingesetzt werden. Die Filterstopfen 9 des Durchflusssubstrats sind dabei vorzugsweise so angeordnet, dass diese nur solche Zellen des Filtersubstrats verschließen, die auf der kontaktierenden Seite bereits ohnehin bereits verschlossen sind. Hierbei ergeben sich dann gegendruckoptimierte Ausführungsformen. In der Praxis kann es aber auch erforderlich werden, das Durchflusssubstrat in Zellen zu verschließen, die dann an verschlossene Zellen des Filtersubstrats angrenzen. Dadurch werden dann allerdings anteilig freie Kanäle des Filtersubstrats verschlossen, wodurch sich in diesem Fall der Abgasgegendruck erhöht.
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Da bei der Ausführungsform gemäß 2 die Filterstopfen 9 der ersten Nachbehandlungskomponente eine andere Größe aufweisen als die Filterstopfen 9 der zweiten Nachbehandlungskomponente, ist sicherzustellen, dass auf einer ausreichend großen Fläche ein Kontakt zwischen den Filterstopfen 9 der Nachbehandlungskomponente in 1, 2 auftritt. Diese Kontaktfläche wird benötigt, um die Nachbehandlungskomponenten dann mittels eines Verbindungsmittels mit ausreichender Festigkeit miteinander verbinden zu können. Sofern keine ausreichende Haftfläche zwischen den Filterstopfen 9 vorliegt, können alternativ die Stopfen 9 einer der Nachbehandlungskomponenten 1, 2 in die freien Zellen 5 der jeweils benachbarten Nachbehandlungskomponente 1, 2 hineinragen, um beim Verbinden mittels eines Klebemittels eine Erhöhung der Festigkeit der Verbindung zwischen beiden Nachbehandlungskomponenten 1, 2 zu erreichen.
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Die 3 zeigt ein anderes mögliches Stopfenbild, bei dem die Auslegung ohne eine gemeinsame Bezugsfläche gemacht werden kann.
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Auch in diesem Fall sind die Filterstopfen 9 des Durchflusssubstrats so zu setzen, dass sie einen möglichst geringen Abgasgegendruck erzeugen. Dies kann, wie dargestellt, zu einem ungleichmäßigen Stopfenbild beim Durchflusssubstrat führen, wobei die Filterstopfen 9 der beiden Nachbehandlungskomponenten 1, 2 in Strömungsrichtung gesehen unterschiedlich große Querschnitte aufweisen. Es muss bei der Auslegung lediglich darauf geachtet werden, dass eine für eine sichere Verbindung der Nachbehandlungskomponenten 1, 2 ausreichend große Haftfläche gewährleistet ist. Insgesamt ist es aber auch mit diesem ungleichmäßigen Stopfenbild möglich den Abgasgegendruck relativ gering zu halten.
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Die 4 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der mittels eines additiven Herstellungsverfahrens, wie beispielsweise einem 3-D-Druck, ein Substrat hergestellt worden ist, welches einstückig ausgebildet ist und gleichzeitig die erste Nachbehandlungskomponente 1 und die zweite Nachbehandlungskomponente 2 umfasst. In der Schnittdarstellung A-A sind die linksseitig angeordneten Zellen 5 wiederum mit einer Zelldichte ausgebildet, die um den Faktor 4 größer ist als die Zelldichte der auf der rechten Seite der Schnittdarstellung dargestellten Zellen 5. Bei dieser Ausführungsform sind lediglich die größeren Zellen 5 abwechselnd linksseitig und rechtzeitig mittels Filterstopfen 9 verschlossen, um auf diese Weise ein Filtersubstrat auszubilden. Da dieses Substrat einstückig ausgebildet ist und keine nachfolgende Verbindung der ersten Nachbehandlungskomponente 1 mit der zweiten Nachbehandlungskomponente 2 mehr erforderlich ist, werden in dem linken Abschnitt, der als Durchflusssubstrats ausgebildet ist, keine zusätzlichen Filterstopfen 9 mehr benötigt. Das so hergestellte einteilige Substrat kann danach, wie oben beschrieben, mit unterschiedlichen Washcoats und je nach Bedarf beschichtet werden.
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Die 5 zeigt noch eine weitere Variante eines Substrats, welches mittels 3-D-Druck gefertigt werden kann. Auf der rechten Seite der 5 ist in der Schnittdarstellung A-A gut erkennbar, dass die größeren und mittels der Filterstopfen 9 wechselweise verschlossenen Zellen 5 des Filtersubstrats verschränkt zu den offenen Zellen 5 des Durchflusssubstrats angeordnet sind. Die offenen Zellen 5 des Durchflusssubstrats und die geschlossenen Zellen 5 des Filtersubstrats überlappen einander in Strömungsrichtung und weisen wiederum einen jeweils rechteckigen Querschnitt auf. Die Schenkellänge des Querschnitts der offenen Zellen 5 ist dabei halb so lang, wie die Schenkellänge des Querschnitts der geschlossenen Zellen 5. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Zellen des scheibenförmigen Durchflusssubstrats in die Einlasskanäle des Filtersubstrats integriert. Auch bei dieser Ausführungsform ist aufgrund der Einteiligkeit kein nachträgliches Zusammenfügen von Durchfluss- und Filtersubstrat mehr erforderlich.
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Zusammenfassend ist festzustellen, dass das gezeigte Substrat mittels eines 3-D-Drucks in besonders einfacher und effizienter Weise gefertigt werden kann, um anschließend in bekannter Weise mit einem geeigneten Washcoat versehen zu werden.
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Alle zuvor beschriebenen und gezeigten Ausführungsformen der Nachbehandlungskomponenten und damit des kombinierten Durchfluss-Filtersubstrats können anstatt der gezeigten rechteckigen Querschnitte auch mit anderen Querschnittsformen ausgeführt werden. Aufgrund der optimalen Raumausnutzung bietet sich hierzu insbesondere auch die Verwendung von Zellen mit einem hexagonalen bzw. wabenförmigen Querschnitt an.
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Die 6 zeigt schließlich noch ein Kraftfahrzeug 10 mit einer Brennkraftmaschine 6, deren Abgase über eine Abgasanlage 11 abgeleitet werden. Bestandteil der Abgasanlage 11 ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 12 mit einem Gehäuse 13, die motornah zur Brennkraftmaschine 6 angeordnet ist. Dabei sind in dem Gehäuse 13 die oben beschriebenen Nachbehandlungskomponenten 1, 2 angeordnet, wobei die beiden Nachbehandlungskomponenten 1, 2 wahlweise durch eine nachträgliche Verbindung oder durch ein additives Herstellungsverfahren einstückig ausgebildet sind. In der Abgasanlage 11 können weitere Nachbehandlungskomponenten in zusätzlichen Gehäusen vorhanden sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Nachbehandlungskomponente
- 2
- zweite Nachbehandlungskomponente
- 3
- vertikale Trennwand
- 4
- horizontale Trennwand
- 5
- Zelle
- 6
- Brennkraftmaschine
- 7
- Außenfläche
- 8
- Markierung
- 9
- Filterstopfen
- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- Abgasanlage
- 12
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 13
- Gehäuse
