DE102020107102A1

DE102020107102A1 - Temperaturmanagement eines Abgasnachbehandlungssystems

Info

Publication number: DE102020107102A1
Application number: DE102020107102.7A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bey; Bernd Lindemann
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2020-04-30
Also published as: DE102019111140A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Temperaturmanagement in einem Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren für ein Temperaturmanagement in einem Abgasnachbehandlungssystem.Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Temperaturmanagement in einem Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine Abgasleitung (1), zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente (2) und zumindest einen Wärmeübertrager (3), wobei der zumindest eine Wärmeübertrager (3) derart ausgebildet ist, entweder Wärme aus dem Abgasnachbehandlungssystem abzuführen oder dem Abgasnachbehandlungssystem Wärme zuzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Temperaturmanagement in einem Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren für ein Temperaturmanagement in einem Abgasnachbehand lungssystem.
Aus der DE10203025B4 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Vorrichtung einen Katalysator umfasst und vorgesehen ist, in Abhängigkeit von einer Temperatur des Katalysators zur Heizung des Katalysators den Verbrennungszeitpunkt in Richtung spät zu verschieben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Temperaturmanagement in einem Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine Abgasleitung, zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente und zumindest einen Wärmeübertrager, wobei der zumindest eine Wärmeübertrager derart ausgebildet ist, entweder Wärme aus dem Abgasnachbehandlungssystem abzuführen oder dem Abgasnachbehandlungssystem Wärme zuzuführen.
Abgasnachbehandlungssysteme in Brennkraftmaschinen arbeiten in einem bestimmten Temperaturbereich am effektivsten. Beim Kaltstart der Brennkraftmaschine muss das Abgasnachbehandlungssystem auf seine Betriebstemperatur gebracht werden. Dies erfordert einen Betrieb der Brennkraftmaschine, der hohe Abgastemperaturen begünstigt, aber in der Regel nicht vorteilhaft für den indizierten Wirkungsgrad ist. Dies erhöht den Kraftstoffverbrauch. Zudem ist bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Abgasnachbehandlungssystems der Konvertierungsgrad in der Regel nicht ausreichend hoch, um Emissionsvorschriften erfüllen zu können. Bei maximaler Leistung der Brennkraftmaschine ist die Temperatur des Abgasnachbehandlungssystems in der Regel zu hoch, wodurch diese ebenfalls nicht effektiv arbeitet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, das Abgasnachbehandlungssystem in einem vorteilhaften Temperaturbereich zu betreiben. Daraus ergeben sich insbesondere Vorteile hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen.
Vorzugsweise ist der zumindest eine Wärmeübertrager in die Materialstruktur der zumindest einen Abgasnachbehandlungskomponente integriert. Dadurch wird eine vorteilhafte Nutzung des verfügbaren Bauraums erreicht. Um Kosten in der Herstellung einzusparen, erfolgt die Fertigung bevorzugt in einem Bauteil. Falls mehr als ein Wärmeübertrager eingesetzt wird, ermöglicht die Integration in die Struktur der zumindest einen Abgasnachbehandlungskomponente eine vorteilhafte Anordnung von Wärmeübertragern in der zumindest einen Abgasnachbehandlungskomponente. Eine solche Anordnung hat den Vorteil einer verbesserten Wärmeübertragung, wodurch das Aufheizen oder Kühlen beschleunigt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren für das Temperaturmanagement in einem Abgasnachbehandlungssystem weist die folgenden Schritte auf: Die Temperatur im Abgasnachbehandlungssystem wird erfasst und mit zumindest einem Grenzwert verglichen. Anhand des Ergebnisses des Vergleichs der erfassten Temperatur mit dem zumindest einen Grenzwert erfolgt eine Steuerung der Temperatur des Abgasnachbehandlungssystems. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Steuerung der Temperatur, so dass vorteilhafte Betriebstemperaturen im Abgasnachbehandlungssystem bereitgestellt werden können. Dies ermöglicht hohe Konvertierungsraten sowie Vorteile hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Wärmeübertrager,
2 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung mit Leitungssystem und unterschiedlichen Anordnungen der Wärmeübertrager,
3 ein erfindungsgemäßes Verfahren für ein Temperaturmanagement in einem Abgasnachbehandlungssystem.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Temperaturmanagement in einem Abgasnachbehandlungssystem und umfasst eine Abgasleitung 1, eine Abgasnachbehandlungskomponente 2 und mehrere Wärmeübertrager 3, wobei die Wärmeübertrager 3 derart ausgebildet sind, entweder Wärme aus der Abgasnachbehandlungskomponente 2 abzuführen oder der Abgasnachbehandlungskomponente 2 Wärme zuzuführen. Die Abgasnachbehandlungskomponente 2 ist hier als SCR (Selective Catalytic Reduction) Katalysator einer Brennkraftmaschine ausgeführt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so ausgebildet, dass das Abgas 7 von der Brennkraftmaschine kommend in den SCR Katalysator 2 einströmt und am anderen Ende des SCR Katalysators 2 wieder austritt. Im SCR Katalysator 2 umströmt es die Wärmeübertrager 3. Abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Abgas 7 und Wärmeübertrager 3 wird das Abgas 7 gekühlt oder aufgeheizt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Wärmeübertrager 3 in die Materialstruktur 4 des SCR Katalysators 2 integriert. Dazu wird die bestehende Materialstruktur des SCR Katalysators 3 so genutzt, dass die Wärmeübertrager in den Knotenpunkten der Materialstruktur 4 angeordnet sind. Dadurch werden die Strömungseigenschaften des SCR Katalysators 2 möglichst wenig beeinflusst. In dem Vergrößerungsausschnitt B sind unterschiedliche Formen der Wärmeübertrager 3 dargestellt. Hier wird die runde Form verwendet, da sie einfach zu fertigen ist, geringen Strömungswiderstand aufweist und eine große Fläche zur Wärmeübertragung aufweist. Mögliche andere Ausführungsbeispiele sehen quadratische oder fünfeckige Querschnitte für die Wärmeübertrager 3 vor. Andere Formen sind ebenfalls möglich. Ziel ist es, bei hoher Wärmeleitfähigkeit die Strömung so wenig wie möglich zu beeinflussen.
2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung, in der die Wärmeübertrager 3 als Leitungssystem 5, das mehrere Leitungen umfasst, ausgeführt sind. Dabei sind die Wärmeübertrager 3 in mehreren Ebenen angeordnet und über den Querschnitt des SCR Katalysators 2 verteilt. Die gleichmäßige Verteilung der Wärmeübertrager 3 im SCR Katalysator 2 ermöglicht eine gute Wärmeübertragung. Für die Anordnung der Wärmeübertrager 3 sind unterschiedliche Konfigurationen möglich, zwei Varianten sind in der 2 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Wärmeübertrager in senkrechter und waagerechter Richtung in jeweils einer Linie angeordnet. Alternativ ist eine versetzte Anordnung möglich, mit der, aufgrund verringerter Überlappung der Heiz- und Kühlbereiche 9 der einzelnen Wärmeübertrager 3, ein größerer Volumenanteil des Abgases 7 gekühlt oder geheizt werden kann.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein wärmeleitendes Fluid 6 verwendet und das Leitungssystem 5 ist so ausgebildet, dass das wärmeleitende Fluid 6 das Leitungssystem 5 durchströmt. Hier umfasst das Leitungssystem 5 Verteilungsleitungen 10 und Leitelemente 11 und ist so ausgebildet, dass die Strömungsrichtung des wärmeleitenden Fluides 6 mit Bezug zur Strömungsrichtung des Abgases 7 als Gleichstrom ausgeführt ist. Dies ist in 2 dargestellt, mit einer detaillierten Darstellung in dem Vergrößerungsausschnitt C. Das wärmeleitende Fluid 6 wird durch die Verteilungsleitungen 10 quer zur Strömungsrichtung des Abgases 7 über die Breite des SCR Katalysators 2 geführt. Von den Verteilungsleitungen 10 zweigen die Leitelemente 11, über die der hauptsächliche Wärmeübertrag erfolgt, ab. Durch diese Leitelemente 11 wird das wärmeleitende Fluid 6 in der gleichen Strömungsrichtung wie das Abgas 7 über die Länge des SCR Katalysators 2 geführt. Es ist alternativ möglich, dass das wärmeleitende Fluid 6 das Leitungssystem 5 entgegen der Strömungsrichtung des Abgases 7 durchströmt oder das Leitungssystem 5, umfassend die Verteilungsleitungen 10 und die Leitelemente 11, so ausgebildet ist, dass das wärmeleitende Fluid 6 quer zur Strömungsrichtung des Abgases 7 den SCR Katalysator 2 durchströmt.
Das Leitungssystem 5 umfasst hier zwei äußere Anschlüsse 8. Über einen der äußeren Anschlüsse 8 wird das wärmeleitende Fluid 6 in das Leitungssystem 5 eingebracht. Der andere äußere Anschluss 8 (nicht gezeigt) dient als Rücklauf und ist in entsprechender Weise am anderen Ende des SCR Katalysators 2 angeordnet. Die äußeren Anschlüsse 8 sind so gestaltet, dass die Strömung des Abgases 7 minimal beeinflusst wird. Für den Zu- und Ablauf des wärmeleitenden Fluides 6 kann alternativ eine andere Anzahl äußerer Anschlüsse 8 verwendet werden. So kann der Durchfluss mit weiteren äußeren Anschlüssen 8 erhöht werden und Strömungskonfigurationen wie Gegen-, Gleich- und Querstrom können kombiniert werden. Die Verwendung von nur einem äußeren Anschluss 8 als kombinierter Zu- und Ablauf ermöglicht eine Verringerung des benötigten Bauraums, allerdings ist eine Rückführung des Fluides 6 in Gegenstromrichtung mit Bezug zum Abgas 7 vorzusehen. Beide alternativen Konfigurationen erhöhen den Aufwand hinsichtlich der Konstruktion sowie des Transports des wärmeleitenden Fluides 6.
In einer Variante sind die Leitelemente 11 des Leitungssystems 5 als Wärmerohre ausgeführt. Aufgrund des passiven Transports des Arbeitsmediums in einem Wärmerohr wird kein Hilfsmittel wie beispielsweise eine Umwälzpumpe benötigt. Aufgrund des hermetisch gekapselten Volumens sind auch keine äußeren Anschlüsse 8 notwendig. Die Verteilungsleitungen 10 können weggelassen oder als Wärmerohr ausgeführt werden, so dass eine möglichst große, effektive Fläche für die Wärmeübertragung genutzt werden kann.
In einer weiteren Variante umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Latentwärmespeicher. Der Latentwärmespeicher ist derart eingerichtet, dass er bei Bedarf dem wärmeleitenden Fluid 6 Wärme zuführen kann. Dies ermöglicht die Wärmezufuhr bei Kaltstart oder Warmlauf der Brennkraftmaschine und verbraucht keinen zusätzlichen Kraftstoff.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren für das Temperaturmanagement eines Abgasnachbehandlungssystems. In einem ersten Schritt S1 wird die Temperatur des SCR Katalysators 2 erfasst. Dies kann messtechnisch mittels eines Sensors erfolgen, aber auch basierend auf einem Modell oder Kennfeld. Die erfasste Temperatur wird im Schritt S2 mit zwei Grenzwerten verglichen. Anhand des Ergebnisses dieses Vergleichs erfolgt im Schritt S3 die Steuerung der Temperatur des SCR Katalysators 2.
Die Steuerung der Temperatur des SCR Katalysators S3 umfasst hier die folgenden Unterschritte. Kein Betrieb S31 der Vorrichtung ist erforderlich, wenn der Vergleich der erfassten Temperatur mit den zwei Grenzwerten S2 ergibt, dass die Temperatur innerhalb der beiden Grenzwerte liegt, so dass weder Kühlen noch Heizen des SCR Katalysators 2 erforderlich ist. Die Vorrichtung wird als Kühlung S32 betrieben, wenn der Vergleich der erfassten Temperatur mit den beiden Grenzwerten S2 ergibt, dass die erfasste Temperatur größer als beide Grenzwerte ist, so dass ein Kühlen des SCR Katalysators 2 erforderlich ist. Die Vorrichtung wird als Heizung S33 betrieben, wenn der Vergleich der erfassten Temperatur mit den beiden Grenzwerten S2 ergibt, dass die erfasste Temperatur unterhalb der beiden Grenzwerte liegt, so dass ein Heizen des SCR Katalysators 2 erforderlich ist.
In diesem Ausführungsbeispiel werden die beiden Grenzwerte so bestimmt, dass einer der maximalen Betriebstemperatur des SCR Katalysators 2 entspricht und der andere der minimalen Betriebstemperatur des SCR Katalysators 2 entspricht. So wird sichergestellt, dass der SCR Katalysator 2 immer im optimalen Temperaturbereich arbeitet. Der bevorzugte Betriebsbereich für den SCR Katalysator liegt zwischen 220 und 450 °C, besonders bevorzugt zwischen 350 und 450 °C.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Temperaturmanagement lassen sich für beliebige Abgasnachbehandlungskomponenten 2 anwenden. Anpassungen bei der konstruktiven Gestaltung und der Definition der Grenzwerte sind entsprechend vorzusehen. So liegt der bevorzugte Betriebsbereich eines Stickoxid-Speicherkatalysators beispielsweise zwischen 250 und 500 °C und ein Dieselpartikelfilter benötigt zum Rußabbrand Temperaturen > 450 °C. Die Einsetzbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch nicht eingeschränkt.
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 10203025 B4 [0002]

Claims

Vorrichtung zum Temperaturmanagement in einem Abgasnachbehandlungssystem, umfassend eine Abgasleitung (1), zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente (2) und zumindest einen Wärmeübertrager (3), wobei der zumindest eine Wärmeübertrager (3) derart ausgebildet ist, entweder Wärme aus dem Abgasnachbehandlungssystem abzuführen oder dem Abgasnachbehandlungssystem Wärme zuzuführen.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der zumindest eine Wärmeübertrager (3) in die Materialstruktur (4) der zumindest einen Abgasnachbehandlungskomponente (2) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der zumindest eine Wärmeübertrager (3) als Leitungssystem (5) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, umfassend ein wärmeleitendes Fluid (6), wobei das Leitungssystem (5) so ausgebildet ist, dass das wärmeleitende Fluid (6) das Leitungssystem (5) durchströmt und dass die Strömungsrichtung des wärmeleitenden Fluids (6) mit Bezug zur Strömungsrichtung des Abgases (7) als Gegenstrom, Gleichstrom, Querstrom oder eine Kombination der Strömungsrichtungen ausgeführt sein kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, umfassend zumindest einen äußeren Anschluss (8), wobei der zumindest eine äußere Anschluss (8) derart ausgebildet ist, dass das wärmeleitende Fluid (6) über den zumindest einen äußeren Anschluss (8) in das Leitungssystem (5) eingebracht und/oder abgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Leitungen des Leitungssystems (5) als Wärmerohre ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend einen Latentwärmespeicher, wobei der Latentwärmespeicher derart eingerichtet ist, dass er bei Bedarf dem Fluid Wärme zuführen kann, wodurch die zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente (2) schneller aufgeheizt wird.
Verfahren für das Temperaturmanagement eines Abgasnachbehandlungssystems (2) für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend die folgenden Schritte: - Erfassen der Temperatur in dem Abgasnachbehandlungssystem (S1, 2), - Vergleich der erfassten Temperatur mit zumindest einem Grenzwert (S2), - Steuerung der Temperatur des Abgasnachbehandlungssystems (S3, 2) anhand des Ergebnisses des Vergleichs der erfassten Temperatur mit dem zumindest einen Grenzwert (S2).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Steuerung der Temperatur des Abgasnachbehandlungssystems (S3, 2) folgende Unterschritte aufweist: - Kein Betrieb (S31), wenn der Vergleich der erfassten Temperatur mit dem zumindest einen Grenzwert (S2) ergibt, dass weder Kühlen noch Heizen des Abgasnachbehandlungssystems (2) erforderlich ist, - Betrieb der Vorrichtung als Kühlung (S32), wenn der Vergleich der erfassten Temperatur mit dem zumindest einen Grenzwert (S2) ergibt, dass ein Kühlen des Abgasnachbehandlungssystems (2) erforderlich ist, - Betrieb der Vorrichtung als Heizung (S33), wenn der Vergleich der erfassten Temperatur mit dem zumindest einen Grenzwert (S2) ergibt, dass ein Heizen des Abgasnachbehandlungssystems (2) erforderlich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, wobei der zumindest eine Grenzwert im Bereich der maximalen und minimalen Betriebstemperatur der zumindest einen Abgasnachbehandlungskomponente (2) liegt.