DE102020214867A1

DE102020214867A1 - Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit einem Adsorber

Info

Publication number: DE102020214867A1
Application number: DE102020214867.8A
Authority: DE
Inventors: Rolf Brück; Ines Lienou Lzeutchi; Peter Hirth
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2022-06-02
Also published as: WO2022112102A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine (6), mit einer Abgasleitung, welche dazu eingerichtet ist das aus der Verbrennungskraftmaschine (6) ausgeblasene Abgas zumindest einer Komponente zur Abgasnachbehandlung zuzuführen, wobei in der Abgasleitung zumindest ein Adsorber (1, 3) zur Zwischenspeicherung für eine im Abgas enthaltene Komponente und ein Katalysator (7, 9) zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases angeordnet ist, wobei der Adsorber (1, 3) durch einen aus einer Mehrzahl von aufeinandergestapelten und zu einem Wabenkörper aufgewickelten Metallfolien gebildet ist, wobei der Wabenkörper zumindest eine sich in radialer Richtung vom Außenumfang hin zum Zentrum erstreckend Aussparung (2, 4, 5) aufweist, in welche ein Sensor oder eine Sonde einsetzbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Abgasleitung, welche dazu eingerichtet ist das aus der Verbrennungskraftmaschine ausgeblasene Abgas zumindest einer Komponente zur Abgasnachbehandlung zuzuführen, wobei in der Abgasleitung zumindest ein Adsorber zur Zwischenspeicherung für eine im Abgas enthaltene Komponente und ein Katalysator zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases angeordnet ist.
Stand der Technik
Zum Zwecke der Abgasnachbehandlung von Verbrennungskraftmaschinen werden in Abgasanlagen sogenannte Kohlenwasserstoffadsorber (HC Adsorber) eingesetzt. Diese Adsorber dienen dazu Kohlenwasserstoffe bei niedrigen Abgastemperaturen, beispielsweise während der Kaltstartphase zwischenzuspeichern, um so das Austreten der Kohlenwasserstoffe in die Umwelt zu verhindern. Kohlenwasserstoffe, welche insbesondere unverbrannten Rückständen des Kraftstoffs sind, werden in der Abgasanlage für gewöhnlich an einem dafür vorgesehenen Katalysator chemisch umgesetzt, so dass für die Umwelt unschädlichere Produkte entstehen. Diese Katalysatoren arbeiten erst ab einer gewissen Mindesttemperatur, der sogenannten Light-Off Temperatur zuverlässig.
Um in Abgasanlagen das unkontrollierte Ausstoßen von im Abgas befindlichen Kohlenwasserstoffen in die Umwelt zu vermeiden ist es daher das Ziel die Kohlenwasserstoffe bis zum Erreichen der Light-Off Temperatur zwischenzuspeichern, so dass diese dann am dafür geeigneten Katalysator umgesetzt werden können.
Durch den Einsatz eines Adsorbers wird die Zusammensetzung des Abgases innerhalb der Abgasanlage beeinflusst. Insbesondere wird die Konzentration von im Abgas befindlichen Stoffen an unterschiedlichen Punkten innerhalb der Abgasanlage verändert. Die unterschiedlichen Konzentrationen haben dabei beispielsweise Einfluss auf die weitere Umsetzung des Abgases an den unterschiedlichen Komponenten zur Abgasnachbehandlung.
Nachteilig an den im Stand der Technik bekannten Abgasanlagen ist, dass diese keine ausreichend gute Erfassung der Abgaszusammensetzung entlang der Abgasleitung aufweisen und somit das gesamte Abgasnachbehandlungssystem nicht optimal betrieben werden kann.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, welche eine besonders genaue Erfassung der Abgaszusammensetzung über weite Teile der Abgasleitung ermöglicht.
Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Abgasleitung, welche dazu eingerichtet ist das aus der Verbrennungskraftmaschine ausgeblasene Abgas zumindest einer Komponente zur Abgasnachbehandlung zuzuführen, wobei in der Abgasleitung zumindest ein Adsorber zur Zwischenspeicherung für eine im Abgas enthaltene Komponente und ein Katalysator zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases angeordnet ist, wobei der Adsorber durch einen aus einer Mehrzahl von aufeinandergestapelten und zu einem Wabenkörper aufgewickelten Metallfolien gebildet ist, wobei der Wabenkörper zumindest eine sich in radialer Richtung vom Außenumfang hin zum Zentrum erstreckend Aussparung aufweist, in welche ein Sensor oder eine Sonde einsetzbar ist.
Der Adsorber ist bevorzugt durch eine metallischen Wabenkörper gebildet, welcher aus einer Mehrzahl aufeinandergestapelter Metallfolien gebildet ist, wobei der Stapel der Metallfolien zu dem Wabenkörper aufgewickelt ist. Es können hier bevorzugt glatte Metallfolien und zumindest teilweise strukturierte Metallfolien verwendet werden. Zwischen den zueinander benachbarten glatten und zumindest teilweise strukturierten Metallfolien ergeben sich Hohlräume, welche die Strömungskanäle bilden, durch die der Wabenkörper letztlich durchströmbar ist.
Der den Adsorber bildende Wabenkörper kann eine Vielzahl unterschiedlicher Kanalgeometrien aufweisen. Insbesondere kann der Wabenkörper unterschiedliche Zelldichten über seinen Querschnitt hinweg aufweisen. Darüber hinaus können die Metallfolien Öffnungen aufweisen oder in einem Winkel zur Mittelachse, welche entlang der Hauptdurchströmungsrichtung verläuft, angestellt sein. Weiterhin können in den Strömungskanälen Strömungsleitelemente angeordnet sein.
Der Adsorber weist zumindest eine Aussparung auf, welche sich von der radial außen liegenden Fläche in radialer Richtung hin zum Zentrum des Adsorbers beziehungsweise des Wabenkörpers erstreckt. Der Wabenkörper kann bevorzugt in einem Mantel aufgenommen sein, welcher das Gehäuse für den Wabenkörper bildet. Bevorzugt weist der Mantel eine mit der Aussparung im Adsorber korrespondierende Öffnung auf, so dass ein Objekt in die Aussparung des Adsorbers eingeführt werden kann.
Der Mantel kann hierzu Anbindungselemente, wie beispielsweise ein Gewinde, aufweisen, um das von außen in die Aussparung eingeführte Objekt dauerhaltbar und gasdicht mit dem Mantel verbinden zu können. Auch das Verschweißen des Objektes mit dem Mantel ist vorsehbar.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Aussparung durch Öffnungen gebildet ist, welche in den in radialer Richtung zueinander benachbarten Metallfolien im zusammengebauten Zustand in einer Flucht miteinander zum Liegen kommen.
Die Aussparung ist bevorzugt dadurch erzeugt, dass die Metallfolien Öffnungen aufweisen, die derart in das Grundmaterial eingebracht sind, dass sich nach dem Aufwickeln eine radial von außen nach innen verlaufende Aussparung ergibt. Die Öffnungen müssen daher derart angeordnet sein, dass die jeweilige Endlage der Öffnung im aufgewickelten Zustand passgenau zu der Endlage der Öffnungen in den jeweils benachbarten Folienabschnitten positioniert ist.
Dies ist herausfordernd, da mit jeder Wickelumdrehung der Durchmesser des Wabenkörpers zunimmt und somit die Öffnungen in der Metallfolie nicht äquidistant zueinander angeordnet werden können. Es muss daher sehr genau bekannt sein, welche Abstände die einzelnen Metallfolien zueinander im fertigen Wabenkörper aufweisen, um somit zu wissen, wie sehr sich der Durchmesser des Wabenkörpers von Lage zu Lage verändert. Außerdem müssen Setzungseffekte und die thermischen Einflüsse der Fügeverfahren, insbesondere Löten, berücksichtigt werden, so dass die sich ergebende Aussparung einen genügend großen Öffnungsquerschnitt aufweist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Metallfolien jeweils Öffnungen aufweisen, welche in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung einen größeren Querschnitt aufweisen, als die lichte Weite der ausgebildeten Aussparung.
Um eine Aussparung mit einem genügend großen Öffnungsquerschnitt zu erzeugen kann die einzelne Öffnung größer ausgeführt werden, als der Querschnitt der Aussparung mindestens sein muss. So können Ungenauigkeiten und Toleranzen bei der Fertigung zumindest teilweise ausgeglichen werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Öffnung als in Umfangsrichtung des Wabenkörpers verlaufende Langlöcher ausgebildet sind. Dies ist vorteilhaft, da die zueinander benachbarten Folien am ehesten in Umfangsrichtung eine Relativbewegung zueinander erfahren. Entlang der axialen Richtung ist im Zuge der Fertigung mit nur sehr geringen Relativbewegungen zu rechnen, so dass die Öffnungen in diese Richtung keine großen Toleranzen ausgleichen müssen. Eine langlochartige Form der Öffnungen, wobei die längere Erstreckung der Öffnung in Umfangsrichtung des Wabenkörpers verläuft, ist daher besonders vorteilhaft.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber eine Mehrzahl von in radialer Richtung verlaufenden Aussparungen aufweist. Je nach Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein, wenn mehr als eine Aussparung vorgesehen ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn an zwei unterschiedlichen Stellen des Adsorbers Werte erfasst werden sollen. Dabei ist es besonders zu bevorzugen, wenn der Adsorber eine Aussparung an dem einer Einströmseite benachbarten Endbereich aufweist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Adsorber eine Aussparung an dem einer Ausströmseite benachbarten Endbereich aufweist.
Mit einer solchen Ausführung des Adsorbers können beispielsweise Konzentrationen der Abgaszusammensetzung direkt an der Einströmseite und direkt vor der Ausströmseite erfasst werden. Dies lässt direkte Schlüsse auf die Gaskonzentration vor dem Adsorber und auf die Konzentration direkt hinter dem Adsorber zu. Es lässt sich somit beispielsweise die Wirksamkeit des Adsorbers bestimmen, indem die im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe an der Einströmseite direkt mit denen im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffen an der Ausströmseite verglichen werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Adsorber eine Lambda-Regelsonde in einer der Aussparungen aufweist. Die Lambdasonde wird zur Bestimmung des Restsauerstoffgehalts im Abgas genutzt. Abhängig von dem von ihr ermittelten Wert für den Restsauerstoffgehalt kann die Gemischbildung für die Verbrennungskraftmaschine angepasst werden, um eine optimale Verbrennung und insbesondere eine optimale Abgasnachbehandlung zu ermöglichen.
Auch ist es zweckmäßig, wenn der Adsorber einen Sensor zur Bestimmung einer Kohlenwasserstoffkonzentration in einer der Aussparungen aufweist. Dies ist vorteilhaft, um die Wirksamkeit des Adsorbers prüfen zu können und insbesondere eine Relation zwischen der Beladung des Adsorbers (Delta zwischen Kohlenwasserstoffanteil des Abgases an der Einströmseite zur Ausströmseite) und den Temperaturniveaus am Adsorber herzustellen. Unterschiedlich hohe Temperaturniveaus am Adsorber führen zu unterschiedlich starken Beladungen des Adsorbers mit Kohlenwasserstoffen.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Adsorber zur Zwischenspeicherung von Kohlenwasserstoffen und/oder Stickoxiden ausgebildet ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 zwei Schnittansichten durch Adsorber, wobei der Adsorber auf der linken Seite eine Aussparung aufweist und der Adsorber auf der rechten Seite zwei Aussparungen aufweist, und
2 eine schematische Darstellung einer Abgasanlage, wobei ein Adsorber mit zwei Aussparungen dem ersten Katalysator nachgelagert ist.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt im linken Teil der Figur einen Adsorber 1, welcher als Wabenkörper aus einer Mehrzahl von metallischen Lagen gebildet ist. Der Adsorber weist eine Aussparung 2 auf, welche von der radial äußersten Lage sich in radialer Richtung hin zum Zentrum des Adsorbers erstreckt. Im linken Ausführungsbeispiel der 1 ist die Aussparung im mittleren Bereich der axialen Erstreckung angeordnet.
Im rechten Teil der 1 ist ein Adsorber 3 gezeigt, welcher zwei Aussparungen 4, 5 aufweist. Der Aufbau der Aussparungen 2, 4 und 5 ist identisch, der wesentliche Unterschied ist, dass der Adsorber 3 zwei Aussparungen 4, 5 aufweist und diese jeweils an den Endbereichen welche die Einströmseite und die Ausströmseite bilden, angeordnet sind.
Die 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Abgastrakts, der einer Verbrennungskraftmaschine 6 nachgelagert ist. In Strömungsrichtung auf die Verbrennungskraftmaschine 6 folgt ein Katalysator 7, welcher beispielsweise durch einen elektrisch beheizbaren Katalysator, einen Drei-Wege-Katalysator oder einen SCR-Katalysator gebildet sein kann.
Dem Katalysator 7 ist in Strömungsrichtung der Adsorber 3 nachgelagert, wie er bereits im rechten Teil der 1 gezeigt wurde. Der Adsorber weist in den Aussparungen 4, 5 jeweils eine Sonde oder einen Sensor 7, 8 auf. Die Sonden oder die Sensoren 7, 8 sind dabei von außen durch den Mantel, welcher den Wabenkörper aufnimmt, geführt. Somit ist ein Messen innerhalb des Adsorbers 3 an unterschiedlichen Stellen möglich.
Dem Adsorber 3 nachgelagert ist ein weiterer Katalysator 9, welcher wie der Katalysator 7 ebenfalls durch unterschiedliche Katalysatoren gebildet sein kann.
Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden.
Die Ausführungsbeispiele der 1 und 2 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
Bezugszeichenliste

01: Adsorber
02: Aussparung
03: Adsorber
04: Aussparung
05: Aussparung
06: Verbrennungskraftmaschine
07: Sonde / Sensor
08: Sonde / Sensor
09: Katalysator

Claims

Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine (6), mit einer Abgasleitung, welche dazu eingerichtet ist das aus der Verbrennungskraftmaschine (6) ausgeblasene Abgas zumindest einer Komponente zur Abgasnachbehandlung zuzuführen, wobei in der Abgasleitung zumindest ein Adsorber (1, 3) zur Zwischenspeicherung für eine im Abgas enthaltene Komponente und ein Katalysator (7, 9) zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (1, 3) durch einen aus einer Mehrzahl von aufeinandergestapelten und zu einem Wabenkörper aufgewickelten Metallfolien gebildet ist, wobei der Wabenkörper zumindest eine sich in radialer Richtung vom Außenumfang hin zum Zentrum erstreckend Aussparung (2, 4, 5) aufweist, in welche ein Sensor oder eine Sonde einsetzbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (2, 4, 5) durch Öffnungen gebildet ist, welche in den in radialer Richtung zueinander benachbarten Metallfolien im zusammengebauten Zustand in einer Flucht miteinander zum Liegen kommen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolien jeweils Öffnungen aufweisen, welche in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung einen größeren Querschnitt aufweisen, als die lichte Weite der ausgebildeten Aussparung (2, 4, 5).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (3) eine Mehrzahl von in radialer Richtung verlaufenden Aussparungen (4, 5) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (3) eine Aussparung (4) an dem einer Einströmseite benachbarten Endbereich aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (3) eine Aussparung (5) an dem einer Ausströmseite benachbarten Endbereich aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (1, 3) eine Lambda-Regelsonde in einer der Aussparungen (2, 4, 5) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (1, 3) einen Sensor zur Bestimmung einer Kohlenwasserstoffkonzentration in einer der Aussparungen (2, 4, 5)aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Adsorber (1, 3) zur Zwischenspeicherung von Kohlenwasserstoffen und/oder Stickoxiden ausgebildet ist.