DE102021104836A1

DE102021104836A1 - Brennkraftmaschine mit zwei Stickoxidkonvertern, Stickoxidspeichervorrichtung und Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE102021104836A1
Application number: DE102021104836.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan PAUKNER; Falk-Christian Baron von Ceumern-Lindenstjerna; Stefan Resch; Markus Paulovsky; Daniel Nowak; Lars Schlüter; Jörg Guennewig
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-03-01
Filing date: 2021-03-01
Publication date: 2022-09-01

Abstract

Eine Brennkraftmaschine umfasst einen vorzugsweise fremdgezündeten Verbrennungsmotor 1 und einen Abgasstrang 8. In den Abgasstrang 8 ist ausgehend von dem Verbrennungsmotor 1 ein erster Stickoxidkonverter 12 und dann ein zweiter Stickoxidkonverter 14 integriert. Die Stickoxidkonverter 12, 14 sind vorzugsweise in Form von Dreiwegekatalysatoren ausgestaltet. Dem ersten Stickoxidkonverter 12 ist eine Stickoxidspeichervorrichtung 13 und dem zweiten Stickoxidkonverter 14 ist eine Heizvorrichtung 15 zugeordnet. Eine solche Brennkraftmaschine kann sich durch relativ geringe Stickoxidemissionen insbesondere nach einem Kaltstart auszeichnen, denn entsprechende Stickoxidemissionen in die Umgebung, die nach einem solchen Kaltstart eine Folge davon wären, dass die Stickoxidkonverter 12, 14 noch nicht ihre jeweilige Anspringtemperatur erreicht haben, können dadurch vermieden werden, dass die Stickoxide in der Stickoxidspeichervorrichtung 13 zwischengespeichert werden. Gleichzeitig kann mittels der Heizvorrichtung 15 ein möglichst schnelles Erreichen der Anspringtemperatur für den zweiten, stromab gelegenen Stickoxidkonverter 14 realisiert werden. Dadurch können Stickoxide mittels des zweiten Stickoxidkonverters 14 rechtzeitig zu einem Zeitpunkt, zu dem mittels der Stickoxidspeichervorrichtung 13 keine Speicherung von Stickoxiden mehr erfolgen kann, in einem ausreichenden Maße konvertiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine und konkret die Nachbehandlung von Abgas, das im Betrieb eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine erzeugt wurde.
Die Abgasgrenzwerte, die für Brennkraftmaschinen gelten, werden zunehmend verschärft. Dies gilt insbesondere für solche Brennkraftmaschinen, die für einen Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgesehen sind. Um diese Abgasgrenzwerte einhalten zu können, ist es erforderlich, dass die Konvertierungsfähigkeit von in die Abgasstränge dieser Brennkraftmaschinen integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtungen möglichst rasch nach Motorstart besteht. Dies bedingt, dass diese beziehungsweise die von diesen umfassten Abgasnachbehandlungskomponenten möglichst schnell nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschinen ihre Anspringtemperaturen (auch Light-off-Temperaturen genannt) erreichen, ab denen von einer ausreichenden Wirksamkeit für die Abgasnachbehandlung ausgegangen werden kann.
Bekannt ist, Abgasnachbehandlungseinrichtungen oder zumindest einzelne Abgasnachbehandlungskomponenten davon zu beheizen. Dies kann sowohl durch motorische Maßnahmen, die darauf abzielen, ausreichend hohe Abgastemperaturen zu erreichen, als auch durch aktive Beheizungsmaßnahmen, beispielsweise mittels elektrischer Heizvorrichtungen, realisiert werden.
Die DE 10 2005 063 204 A1 offenbart eine magerbetriebsfähige Brennkraftmaschine mit einem Katalysator, der eine Dreiwegebeschichtung mit einer zusätzlichen NOx-Speicherkomponente aufweist.
Die DE 10 2017 130 886 A1 beschreibt ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Ottomotor, wobei in einer mit einem Auslass des Verbrennungsmotors verbundenen Abgasanlage ein Vierwegekatalysator, d.h. ein Partikelfilter mit einer als Dreiwegekatalysator wirksamen Beschichtung, und mindestens ein weiterer Dreiwegekatalysator angeordnet sind. Zudem ist in einem Abgaskanal der Abgasanlage ein Abgasbrenner vorgesehen, durch den heißes Abgas in die Abgasanlage einleitbar ist. Der Abgasbrenner wird bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors zum Heizen des Vierwegekatalysator genutzt, damit dieser zeitnah nach dem Kaltstart seine Anspringtemperatur erreicht.
Die DE 10 2019 101 394 A1 offenbart eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, die eine erste, motornahe Abgasreinigungseinrichtung und eine zweite, motorferne Abgasreinigungseinrichtung umfasst, wobei die zweite Abgasreinigungseinrichtung durch eine Kombination eines vorgeschalteten Brenners sowie einer elektrischen Heizeinrichtung beheizbar ist. Zum Erwärmen der Abgasreinigungseinrichtungen nach einem Motorstart wird der Verbrennungsmotor mit zumindest einer innermotorischen Maßnahme zur Anhebung der Abgastemperatur betrieben, und der Brenner und die elektrische Heizeinrichtung werden zur Aufheizung der zweiten Abgasreinigungseinrichtung zeitgleich oder zeitlich versetzt aktiviert, wobei ein in die zweite Abgasreinigungseinrichtung eintretendes Mischgas auf einen stöchiometrischen Lambdawert eingestellt wird. Dies soll ein beschleunigtes Aufheizen der Abgasreinigungseinrichtungen ermöglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schadstoffemissionen einer Brennkraftmaschine insbesondere hinsichtlich der Stickoxidemissionen nach einem Kaltstart gering zu halten.
Diese Aufgabe ist bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst zumindest einen Verbrennungsmotor und einen Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor kann vorzugsweise zumindest zeitweise fremdgezündet und weiterhin bevorzugt auch quantitätsgeregelt betreibbar (d.h. dann als Ottomotor) ausgestaltet sein. In den Abgasstrang ist ausgehend von dem Verbrennungsmotor ein erster Stickoxidkonverter, der insbesondere in Form eines Dreiwegekatalysators ausgestaltet sein kann, und dann ein zweiter Stickoxidkonverter, der ebenfalls bevorzugt in Form eines Dreiwegekatalysators ausgestaltet sein kann, integriert. Dabei ist dem ersten Stickoxidkonverter eine Stickoxidspeichervorrichtung (d.h. eine gezielt für ein Speichern von Stickoxiden in einem relevanten Ausmaß vorgesehene Vorrichtung) und dem zweiten Stickoxidkonverter eine Heizvorrichtung (d.h. eine gezielt für ein aktives Erzeugen von Wärmeenergie vorgesehene Vorrichtung) zugeordnet. Die Heizvorrichtung kann vorzugsweise ein elektrisches Heizelement (zur Erzeugung von Wärmeenergie durch Umwandlung von elektrischer Energie) und/oder einen Brenner (zur Erzeugung von Wärmeenergie durch Verbrennen von Brennstoff, insbesondere demselben Brennstoff, der für den Betrieb des Verbrennungsmotors genutzt wird) umfassen (oder als elektrisches Heizelement oder als Brenner ausgestaltet sein). Als Zuordnung der Stickoxidspeichervorrichtung beziehungsweise der Heizvorrichtung zu dem jeweiligen Stickoxidkonverter wird dabei verstanden, dass die entsprechende Komponente unmittelbar vor oder unmittelbar nach dem entsprechenden Stickoxidkonverter im Abgasstrang angeordnet oder in den jeweiligen Stickoxidkonverter selbst integriert ist.
Eine solche Brennkraftmaschine kann sich durch relativ geringe Stickoxidemissionen insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine auszeichnen, denn entsprechende Stickoxidemissionen in die Umgebung, die nach einem solchen Kaltstart eine Folge davon wären, dass die Stickoxidkonverter noch nicht ihre jeweilige Anspringtemperatur erreicht haben, können dadurch vermieden werden, dass die Stickoxide in der dem ersten Stickoxidkonverter zugeordneten Stickoxidspeichervorrichtung zwischengespeichert werden. Gleichzeitig kann mittels der Heizvorrichtung ein möglichst schnelles Erreichen der Anspringtemperatur für den zweiten, stromab gelegenen Stickoxidkonverter realisiert werden. Dadurch können Stickoxide mittels des zweiten Stickoxidkonverters 14 rechtzeitig zu einem Zeitpunkt, zu dem mittels der Stickoxidspeichervorrichtung 13 keine Speicherung von Stickoxiden mehr erfolgen kann, in einem ausreichenden Maße konvertiert werden. Diese Stickoxide können dabei auch solche umfassen, die zunächst in der Stickoxidspeichervorrichtung zwischengespeichert wurden und die mit länger andauerndem Betrieb des Verbrennungsmotors wieder freigesetzt wurden.
Als „Kaltstart“ der Brennkraftmaschine gilt grundsätzlich eine Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine, bei der wenigstens einer der Stickoxidkonverter eine Betriebstemperatur aufweist, die zumindest unter der dazugehörigen Anspringtemperatur liegt und die insbesondere ungefähr (d.h. auch mit einer Abweichung von bis zu 10%, 20% oder 30%) der Umgebungstemperatur entsprechen kann.
Ein Dreiwegekatalysator ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest die Umwandlung von Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) zu Kohlenstoffdioxid (CO₂), Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) katalytisch unterstützen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist eine Auslegung des Verbrennungsmotors für einen stöchiometrischen Betrieb vorgesehen, d.h. dieser ist u.a. hinsichtlich der Ansteuerung derjenigen Komponenten, mittels derer das Verbrennungsluftverhältnis von Gemischmengen (aus Kraftstoff und Sauerstoff beziehungsweise Luft), die im Betrieb in dem oder den Brennräumen des Verbrennungsmotors verbrannt werden, eingestellt wird, derart ausgestaltet, dass ein grundsätzlich stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis (λ ≈ 1) erreicht wird. Die Erfindung betrifft demnach auch ein entsprechendes Verfahren zum Betrieben einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrischen Betrieb. Ein solcher stöchiometrischer Betrieb kann zu einer möglichst optimalen Nachbehandlung des Abgases mittels der Stickoxidkonverter führen, was insbesondere dann gilt, wenn, wie dies vorzugsweise vorgesehen ist, zumindest einer und vorzugsweise alle der Stickoxidkonverter in Form von Dreiwegekatalysatoren ausgestaltet ist/sind.
Als stöchiometrischer Betrieb des Verbrennungsmotors wird erfindungsgemäß auch ein Betrieb verstanden, bei dem das tatsächliche Verbrennungsluftverhältnis in einem üblicherweise relativ schmalen Bereich von beispielsweise ± 1 % oder ± 3% oder ± 5% um das exakt stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis (Ä = 1) schwankt, wenn dadurch im zeitlichen Mittel ein stöchiometrisches Verbrennungsverhältnis realisiert wird oder werden soll. Eine solche Schwankung des tatsächlichen Verbrennungsluftverhältnisses kann eine Folge einer reaktiven Steuerung und insbesondere einer Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgases sein, wie dies insbesondere unter Verwendung einer oder mehrerer Lambdasonden grundsätzlich bekannt ist. Dabei kann eine sogenannte Eigenfrequenzregelung für das Verbrennungsluftverhältnis umgesetzt werden, bei der der Verbrennungsmotor definiert wechselweise leicht fett, d.h. mit einem geringfügig unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (Ä < 1), sowie leicht mager, d.h. mit einem geringfügig überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (Ä > 1), betrieben wird, wobei sich im Mittel der angestrebte stöchiometrische Betrieb einstellt. Eine Umschaltung zwischen fettem und magerem Betrieb kann dabei bei definierten Abweichungen von dem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis erfolgen.
Die Stickoxidspeichervorrichtung kann vorzugsweise ein Speicherelement aufweisen oder sein, das Palladium und/oder ein Ceroxid, insbesondere Cerdioxid, und/oder ein Element der Platinmetalle umfasst. Dadurch kann in vorteilhafter Weise ein Speichern von Stickoxiden, insbesondere auch bereits bei relativ geringen Temperaturen der Stickoxidspeichervorrichtung, realisiert werden, was zu entsprechend geringen Stickoxidemissionen nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine führen kann.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Stickoxidspeichervorrichtung als Beschichtung auf einem insbesondere mit Durchströmungsöffnungen versehenen und damit eine Durchströmung mittels Abgases ermöglichenden Trägerbauteil des ersten Stickoxidkonverters ausgestaltet ist. Dies ermöglicht eine relativ einfache und zudem nur einen geringen Bauraum erfordernde Integration der Stickoxidspeichervorrichtung in den ersten Stickoxidkonverter.
In den Abgasstrang einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann weiterhin mindestens ein Partikelfilter integriert sein, um eine Emission von Partikeln des Abgases zu minimieren. Dieser kann beispielsweise stromauf des ersten Stickoxidkonverters) oder stromab des zweiten Stickoxidkonverters im Abgasstrang angeordnet sein. Sinnvoll kann aber auch eine Anordnung des mindestens einen Partikelfilters zwischen den beiden Stickoxidkonverter oder dessen Integration in den ersten oder zweiten Stickoxidkonverter sein. Ein als Dreiwegekatalysator ausgestalteter Stickoxidkonverter, in den zudem ein Partikelfilter integriert ist, wird üblicherweise auch als Vierwegekatalysator bezeichnet. Ein solcher Vierwegekatalysator stellt folglich eine Ausbaustufe eines Dreiwegekatalysators dar und fällt demnach auch unter die erfindungsgemäße Definition eines Dreiwegekatalysators. Für die Ausbildung eines Vierwegekatalysators kann dabei vorzugsweise vorgesehen sein, dass ein als Partikelfilter wirksames Trägerbauteil mit einer zumindest auch als Dreiwegekatalysator wirksamen Beschichtung versehen ist.
Um ein möglichst optimales Schadstoffemissionsverhalten der Brennkraftmaschine in sämtlichen Betriebszuständen zu realisieren, kann diese weiterhin bevorzugt einen in den Abgasstrang integrierten dritten Stickoxidkonverter, der ebenfalls bevorzugt als Dreiwegekatalysator ausgestaltet sein kann, umfassen. Dieser kann beispielsweise vor dem ersten Stickoxidkonverter oder nach dem zweiten Stickoxidkonverter im Abgasstrang angeordnet sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann grundsätzlich eine Anordnung des Stickoxidkonverters, der Stickoxidspeichervorrichtung, des zweiten Stickoxidkonverters und der Heizvorrichtung sowie gegebenenfalls des Partikelfilters und/oder des dritten Stickoxidkonverters in beliebiger Konstellation in entweder einem Motorraum oder in einer Unterbodenlage des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. Als Motorraum wird dabei ein im Wesentlichen vollumfänglich abgeschlossener Raum, der im Kraftfahrzeug ausgebildet und der für die Aufnahme zumindest des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, verstanden. Eine Unterbodenlage ist dagegen eine Anordnung unterhalb eines Unterbodens, d.h. einer sich zwischen zwei Achsen des Kraftfahrzeugs erstreckenden Bodenfläche, verstanden, wodurch sich eine teilumfänglich zur Umgebung exponierte Anordnung der entsprechende Komponente ergibt. Eine Anordnung einer solchen Komponente im Motorraum kann einerseits dazu führen, dass die entsprechende Komponente relativ schnell nach einem Kaltstart erwärmt wird, was aus der Lage relativ nah an dem Verbrennungsmotor resultiert. Zudem kann eine solche Komponente während eines Betriebs des Verbrennungsmotors dauerhaft relativ hohe Betriebstemperaturen aufweisen, was wiederum einerseits in der Lage relativ nah an dem Verbrennungsmotor und andererseits in der geschützten Positionierung innerhalb des Motorraums, die eine ausgeprägte Kühlung durch die Umgebungsluft verhindert, begründet sein kann. Solche relativ hohen Betriebstemperaturen können sich vorteilhaft hinsichtlich der Abgasnachbehandlungsfähigkeiten dieser Komponenten auswirken. Vor diesem Hintergrund kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass der erste Stickoxidkonverter mit zugeordneter Stickoxidspeichervorrichtung und der zweite Stickoxidkonverter mit zugeordneter Heizvorrichtung im Motorraum angeordnet sind.
Die relativ hohen Betriebstemperaturen der Komponenten bei einer Anordnung im Motorraum können jedoch auch eine relativ schnelle thermischen Alterung bewirken. Eine Unterbodenlage kann sich dementsprechend vorteilhaft hinsichtlich einer Verlangsamung der thermischen Alterung einer entsprechend positionierten Komponente des Abgasstrangs auswirken. Zudem wird bei einer solchen Unterbodenlage von der Komponente kein Bauraum innerhalb des Motorraums eingenommen. Vor diesem Hintergrund kann es auch vorteilhaft sein, dass der erste Stickoxidkonverter mit zugeordneter Stickoxidspeichervorrichtung und der zweite Stickoxidkonverter mit zugeordneter Heizvorrichtung in der Unterbodenlage angeordnet sind. Nachteilig kann dann ein relativ langsames Erreichen und ein zeitweise im Betrieb der Brennkraftmaschine nur schwierig realisierbares Aufrechterhalten einer oberhalb der entsprechenden Anspringtemperatur liegenden Betriebstemperatur dieser Komponenten sein.
Ein vorteilhafter Kompromiss bezüglich der Anordnungen der Stickoxidkonverter und der diesen zugeordneten Komponenten (Stickoxidspeichervorrichtung und Heizvorrichtung) kann dann realisiert sein, wenn der erste Stickoxidkonverter mit zugeordneter Stickoxidspeichervorrichtung in dem Motorraum und der zweite Stickoxidkonverter mit zugeordneter Heizvorrichtung in der Unterbodenlage angeordnet sind.
Der Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorzugsweise mit Flüssigkraftstoff (insbesondere Benzin) betrieben werden. Möglich ist auch ein Betrieb mit einem gasförmigen Kraftstoff (insbesondere Erdgas, LNG oder LPG).
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug kann insbesondere ein radbasiertes und schienengebundenes oder nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW) sein. Dabei kann der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine vorzugsweise zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, teilweise in vereinfachter Darstellung:

1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine;
2: einen Abschnitt eines Abgasstrangs für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltungsform;
3: einen Abschnitt eines Abgasstrangs für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform; und
4: einen Abschnitt eines Abgasstrangs für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer dritten Ausgestaltungsform.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug. Diese umfasst einen Verbrennungsmotor 1, der beispielhaft in Form eines Hubkolbenmotors mit vier in Reihe angeordneten Zylinderöffnungen 2 ausgestaltet ist. Die Zylinderöffnungen 2 begrenzen mit darin geführten Hubkolben 3 und einem Zylinderkopf jeweils einen Brennraum 4. Diesen Brennräumen 4 wird im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 und damit der Brennkraftmaschine Frischgas über einen Frischgasstrang 5 zugeführt, wobei die Zufuhr des Frischgases mittels Einlassventilen 6, die den einzelnen Brennräumen 4 zugeordnet sind, gesteuert wird. Bei dem Frischgas handelt es sich ausschließlich oder hauptsächlich um Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Bei der Verbrennung von Gemischmengen, die aus dem Frischgas sowie aus direkt über Kraftstoffinjektoren 7 in die Brennräume 4 eingespritztem Kraftstoff bestehen, wird Abgas erzeugt. Dieses Abgas wird über einen Abgasstrang 8 der Brennkraftmaschine abgeführt, wobei der Auslass des Abgases aus den einzelnen Brennräumen 4 mittels Auslassventilen 9 gesteuert wird. Ein Entflammen der Gemischmengen in den Brennräumen 4 wird mittels elektrischer Zündvorrichtungen 10 bewirkt, die beispielsweise Zündfunken erzeugen (Zündkerzen). Das Abgas durchströmt eine in den Abgasstrang 8 integrierte Abgasnachbehandlungseinrichtung 11, die dafür vorgesehen ist, Bestandteile des Abgases, die als Schadstoffe angesehen werden, aus dem Abgas zu entfernen oder in unschädliche Bestandteile umzuwandeln.
Die Brennkraftmaschine kann aufgeladen ausgestaltet sein, wobei dann in den Frischgasstrang 5 ein Frischgasverdichter (nicht dargestellt) integriert wäre. Sofern der Frischgasverdichter dabei Teil eines Abgasturboladers wäre, würde dieser Abgasturbolader weiterhin noch eine Abgasturbine (nicht dargestellt) umfassen, die in den Abgasstrang 8 integriert wäre. Abgas, das die Abgasturbine durchströmt, würde dann zu einem rotierenden Antrieb eines Turbinenlaufrads führen, das drehantreibend mit einem Verdichterlaufrad des Frischgasverdichters verbunden ist, so dass im Ergebnis ein Antrieb des Frischgasverdichters mittels der Abgasturbine erfolgt.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 der Brennkraftmaschine umfasst zumindest einen ersten Stickoxidkonverter 12, eine dem ersten Stickoxidkonverter 12 zugeordnete Stickoxidspeichervorrichtung 13, einen zweiten Stickoxidkonverter 14 sowie eine dem zweiten Stickoxidkonverter 14 zugeordnete Heizvorrichtung 15. Die Stickoxidkonverter 13, 14 sind jeweils in Form eines Dreiwegekatalysators (TWC) ausgestaltet.
2 bis 4 zeigen konkrete Ausgestaltungsbeispiele für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, beispielsweise einer Brennkraftmaschine gemäß 1, wobei bei diesen die Stickoxidspeichervorrichtung 13 jeweils als Beschichtung auf einem Trägerbauteil des ersten Stickoxidkonverters 12 ausgestaltet ist. Diese Beschichtung umfasst ein Ceroxid als für eine Speicherung von Stickoxid wirksame Komponente, was in 2 bis 4 durch den Zusatz „+Cer“ gekennzeichnet ist. Zudem umfassen die in 2 bis 4 gezeigten Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 jeweils einen Partikelfilter 16 und teilweise (vgl. 3) einen dritten Stickoxidkonverter 17, der ebenfalls in Form eines Dreiwegekatalysators ausgestaltet ist.
Bei der in 2 dargestellten Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 sind sämtliche der Abgasnachbehandlungskomponenten, d.h. der erste Stickoxidkonverter 12 mit Stickoxidspeichervorrichtung 13, der zweite Stickoxidkonverter 14 mit zugeordneter Heizvorrichtung 15 sowie der Partikelfilter 16, in einen Anfangsabschnitt des Abgasstrangs 8 integriert, so dass diese relativ nah an dem Verbrennungsmotor 1 angeordnet sind. 2 zeigt dazu den entsprechenden Anschlussflansch 18, mit dem der Abgasstrang 8 an den Verbrennungsmotor 1 angeschlossen werden kann. Durch diese motornahe Anordnung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 kann erreicht werden, dass sämtliche der Abgasnachbehandlungskomponenten innerhalb eines Motorraums eines die Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) angeordnet sind.
Bei der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 gemäß 2 ist ausgehend vom Verbrennungsmotor 1 beziehungsweise dem entsprechenden Anschlussflansch 18 zunächst der erste Stickoxidkonverter 12 mit Stickoxidspeichervorrichtung 13 und dann die Heizvorrichtung 15 in den Abgasstrang 8 integriert. Die Heizvorrichtung 15 ist elektrisch ausgestaltet und umfasst ein scheibenförmiges, elektrisches Heizelement 15a, das für das Abgas durchströmbar ausgestaltet ist und das über Anschlussstecker 15b an eine elektrische Energieversorgung (nicht dargestellt) anschließbar ist, um ein bedarfsweises Erwärmen des Heizelements 15a und über das Heizelement 15a des dieses durchströmenden Abgases zu ermöglichen. Das Heizelement 15a ist unmittelbar zwischen dem ersten Stickoxidkonverter 12 mit Stickoxidspeichervorrichtung 13 und dem zweiten Stickoxidkonverter 14 angeordnet. Das Heizelement 15a ist dabei an sowohl den ersten Stickoxidkonverter 12 als auch den zweiten Stickoxidkonverter 14 direkt angrenzend angeordnet. Zwischen dem zweiten Stickoxidkonverter 14 und dem sich daran anschließenden Partikelfilter 16 ist dagegen noch ein kurzes Verbindungsstück des Abgasstrangs 8 angeordnet, was insbesondere durch einen angepassten Verlauf des Abgasstrangs 8 eine flexiblere Positionierung des Partikelfilters 16 im Motorraum ermöglicht.
Bei der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 gemäß 3 ist ausgehend vom Verbrennungsmotor 1 beziehungsweise dem entsprechenden Anschlussflansch 18 zunächst der dritte Stickoxidkonverter 17 und dann der Partikelfilter 16 in den Abgasstrang 8 integriert. Für diese Abgasnachbehandlungskomponenten kann eine Anordnung innerhalb des Motorraums des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. An den Partikelfilter 16 schließt sich der erste Stickoxidkonverter 12 mit Stickoxidspeichervorrichtung 13 und dann, jeweils direkt angrenzend, die Heizvorrichtung 15 und der zweite Stickoxidkonverter 14 an. Auch diese Heizvorrichtung 15 gemäß 3 ist elektrisch ausgestaltet und umfasst demnach ein elektrisches Heizelement 15a. Bei der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 gemäß 3 kann eine Anordnung des ersten Stickoxidkonverters 12 mit Stickoxidspeichervorrichtung 13, der Heizvorrichtung 15 und des zweiten Stickoxidkonverters 14 in Unterbodenlage des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. Diese Abgasnachbehandlungskomponenten sind folglich in relativ großer Entfernung (insbesondere bezüglich des Strömungswegs des Abgases im Abgasstrang 8) von dem Verbrennungsmotor 1 angeordnet. Ein Verbindungsstück des Abgasstrangs 8, das zwischen dem Partikelfilter 16 und dem ersten Stickoxidkonverter 12 mit Stickoxidspeichervorrichtung 13 angeordnet ist, überbrückt dabei den Abstand zwischen dem noch motornah positionierten Partikelfilter 16 und dem in Unterbodenlage angeordneten ersten Stickoxidkonverter 12 mit Stickoxidspeichervorrichtung 13.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 gemäß 4 umfasst grundsätzlich dieselben Abgasnachbehandlungskomponenten wie diejenige gemäß 2, wobei zudem deren Reihenfolge bezüglich der Integration in den Abgasstrang 8 ausgehend von dem Verbrennungsmotor 1 übereinstimmt. Demnach ist zunächst der erste Stickoxidkonverter 12 mit Stickoxidspeichervorrichtung 13, dann die Heizvorrichtung 15 und daran anschließend der zweite Stickoxidkonverter 14 sowie abschließend der Partikelfilter 16 in den Abgasstrang integriert. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 unterscheidet sich jedoch von derjenigen gemäß 2 darin, dass bei dieser lediglich der erste Stickoxidkonverter 12 mit Stickoxidspeichervorrichtung 13 motornah beziehungsweise im Motorraum des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, während die Heizvorrichtung 15, der zweite Stickoxidkonverter 14 und der Partikelfilter 16 in Unterbodenlage angeordnet sind. Zudem ist bei der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 gemäß 4 die Heizvorrichtung 15 als Brenner 15c ausgestaltet, dem über entsprechende Anschlüsse einerseits Kraftstoff und andererseits Luft zugeführt werden kann, wobei innerhalb einer Brennkammer des Brenners 15c eine Mischung aus Kraftstoff und Luft mittels einer Zündvorrichtung entflammt werden kann. Das durch eine Verbrennung dieser Kraftstoff-Luft-Mischung entstandene Heißgas wird stromauf des zweiten Stickoxidkonverters 14 in den Abgasstrang 8 eingeleitet, wodurch bedarfsweise eine gezielte Erwärmung insbesondere des zweiten Stickoxidkonverters 14 realisiert werden kann.
Ergänzend oder alternativ zu der Ausgestaltung der Heizvorrichtung 15 gemäß 4 als Brenner 15c kann diese auch elektrisch ausgestaltet sein. In gleicher Weise kann bei den Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 gemäß 2 und 3 ergänzend oder alternativ zu der jeweiligen elektrischen Heizvorrichtung ein Brenner 15c vorgesehen sein. Weiterhin kann bei den Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 gemäß 2 bis 4 ein dritter Stickoxidkonverter 17 (in beliebiger Anordnung) vorgesehen sein, wie dies bei der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 gemäß 3 der Fall ist.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß beispielsweise 1 beziehungsweise die von dieser umfassten Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 gemäß beispielsweise 2 bis 4 ermöglichen ein vorteilhaftes Schadstoffemissionsverhalten der Brennkraftmaschine insbesondere hinsichtlich der Stickoxidemissionen nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine. Stickoxide, die im von dem Verbrennungsmotor 1 erzeugten Abgas enthalten sind und die nach einem Kaltstart infolge der noch relativ kalten Stickoxidkonverter 12, 13, 17 nicht in einem ausreichenden Ausmaß konvertiert werden können, werden mittels der Stickoxidspeichervorrichtung 13 zwischengespeichert. Gleichzeitig wurde mit dem Kaltstart oder kurzzeitig danach oder kurzzeitig davor die jeweilige Heizvorrichtung 15 in Betrieb genommen, um ein möglichst schnelles Erwärmen des jeweiligen zweiten Stickoxidkonverters 14 bis zumindest zu der dazugehörigen Anspringtemperatur zu erreichen. Diese Anspringtemperatur wird durch die aktive Beheizung mittels der jeweiligen Heizvorrichtung 15 erreicht, bevor die Speicherkapazität der Stickoxidspeichervorrichtung 13 erschöpft ist beziehungsweise bevor die Stickoxidspeichervorrichtung 13 selbst soweit durch das Abgas aufgewärmt wurde, dass die darin zwischengespeicherten Stickoxide desorbieren. Die desorbierten Stickoxide ebenso wie die durch den weitergehenden Betrieb des Verbrennungsmotors 1 neu erzeugten Stickoxide können dann bereits durch zumindest den zweiten Stickoxidkonverter 14 in einem ausreichenden Ausmaß konvertiert werden. Dieser zweite Stickoxidkonverter 14 wird hinsichtlich der neu erzeugten Stickoxide von dem ersten Stickoxidkonverter 12 und gegebenenfalls auch dem dritten Stickoxidkonverter 17 unterstützt, sobald dieser oder diese seine/ihre Anspringtemperatur(en) erreicht hat/haben.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Zylinderöffnung
3: Hubkolben
4: Brennraum
5: Frischgasstrang
6: Einlassventil
7: Kraftstoffinjektor
8: Abgasstrang
9: Auslassventil
10: Zündvorrichtung
11: Abgasnachbehandlungseinrichtung
12: erster Stickoxidkonverter
13: Stickoxidspeichervorrichtung
14: zweiter Stickoxidkonverter
15: Heizvorrichtung
15a: elektrisches Heizelement
15b: Anschlussstecker
15c: Brenner
16: Partikelfilter
17: dritter Stickoxidkonverter
18: Anschlussflansch des Abgasstrangs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005063204 A1 [0004]
DE 102017130886 A1 [0005]
DE 102019101394 A1 [0006]

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (1) und einem Abgasstrang (8), wobei in den Abgasstrang (8) ausgehend von dem Verbrennungsmotor (1) ein erster Stickoxidkonverter (12) und dann ein zweiter Stickoxidkonverter (14) integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Stickoxidkonverter (12) eine Stickoxidspeichervorrichtung (13) und dem zweiten Stickoxidkonverter (14) eine Heizvorrichtung (15) zugeordnet ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Auslegung des Verbrennungsmotors (1) für einen stöchiometrischen Betrieb.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (15) ein elektrisches Heizelement (15a) und/oder einen Brenner (15c) umfasst.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Stickoxidspeichervorrichtung (13) ein Speicherelement aus Palladium und/oder Ceroxid und/oder einem Element der Platinmetalle umfasst.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickoxidspeichervorrichtung (13) als Beschichtung auf einem Trägerbauteil des ersten Stickoxidkonverters (12) ausgestaltet ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Partikelfilter (16) vor dem ersten Stickoxidkonverter (12) oder nach dem zweiten Stickoxidkonverter (14) in den Abgasstrang (8) integriert ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dritten Stickoxidkonverter (17), der vor dem ersten Stickoxidkonverter (12) oder nach dem zweiten Stickoxidkonverter (14) in den Abgasstrang (8) integriert ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer, mehrere oder alle der Stickoxidkonverter (12, 14, 17) als Dreiwegekatalysator ausgestaltet ist/sind.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stickoxidkonverter (12) und/oder die Stickoxidspeichervorrichtung (13) und/oder der zweite Stickoxidkonverter (14) und/oder die Heizvorrichtung (15) in einem Motorraum oder in einer Unterbodenlage des Kraftfahrzeugs angeordnet sind.