DE102021113049A1

DE102021113049A1 - Abgasnachbehandlungsanlage mit einem Startkatalysator und Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage

Info

Publication number: DE102021113049A1
Application number: DE102021113049.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Rössler
Original assignee: AVL Software and Functions GmbH
Current assignee: AVL Software and Functions GmbH
Priority date: 2021-05-19
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2022-11-24

Abstract

Abgasnachbehandlungsanlage (1) für eine Verbrennungskraftmaschine (2), wobei die Abgasnachbehandlungsanlage (1) einen Vorkatalysator (10) und einen Hauptkatalysator (3) umfasst, wobei die Abgasnachbehandlungsanlage (1) einen Startkatalysator (20) umfasst, welcher während einer Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine (2) dem Vorkatalysator (10) in einer Abgasströmungsrichtung (X) fluidisch vorgeschalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei die Abgasnachbehandlungsanlage einen Vorkatalysator und einen Hauptkatalysator umfasst.
Katalysatoren werden eingesetzt, um umweltschädliche Stoffe in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, vorzugsweise von Kraftfahrzeugen, zu reduzieren, insbesondere vollständig in unbedenkliche Stoffe umzuwandeln. Der Katalysator ist in Abgasströmungsrichtung nachfolgend der Verbrennungskraftmaschine, kurz Motor, in der Abgasnachbehandlungsanlage angeordnet. Viele der aktuell gebauten Kraftfahrzeuge weisen das Problem auf, dass direkt nach dem Kaltstart des Motors der Katalysator im Abgasstrang noch nicht auf Betriebstemperatur aufgeheizt ist. Die Schadstoffe (CO, NO_x, HCs), die der Motor des Fahrzeuges ausstößt, können bei Temperaturen unterhalb der sog. Light-Off-Temperatur von etwa 250 °C bis 300 °C nicht effektiv in Stoffe wie CO₂, N₂ oder H₂O umgewandelt werden. Erst bei Überschreiten der Light-Off-Temperatur konvertiert der Katalysator die Stoffe effizient und senkt so die Schadstoffemissionen deutlich. Da ein Katalysator kalt ist, wenn der Motor nach einer längeren Standzeit gestartet wird, benötigen die heißen Abgase einige Zeit, um den Katalysator auf seine wirksame Betriebstemperatur zu erhitzen.
Im Stand der Technik sind zur Minimierung der Schadstoffemissionen in einer Kaltstartphase Vorkatalysatoren bekannt, die in einer Abgasnachbehandlungsanlage einem Hauptkatalysator vorgeschaltet sind. Vorkatalysatoren sind in unmittelbarer Nähe zum Abgasauslass des Motors angeordnet, sodass diese nach einem Kaltstart des Motors schneller heiß werden und die Light-Off-Temperatur früher erreichen. Trotz der meist geringeren Größe und damit kleineren Wärmekapazität des Vorkatalysators im Vergleich zum Hauptkatalysator müssen diese dennoch groß genug ausgebildet sein, um auch im Dauerbetrieb des Motors dem durchströmenden Abgasmassestrom standzuhalten, da Vorkatalysatoren fest in der Abgasnachbehandlungsanlage fluidisch eingebunden sind. Der Abgasmassestrom kann unter Volllast des Motors bei einem handelsüblichen PKW mehrere Hundert Kilogramm pro Stunde (kg/h) betragen, wohingegen im Leerlaufbetrieb des Motors weniger als 50 kg/h, vornehmlich lediglich 15 - 30 kg/h, durch die Abgasnachbehandlungsanlage strömen.
Zwar verbessern Vorkatalysatoren die Abgasqualität, jedoch wird das Problem nicht gelöst, die Emission schädlicher Abgase während einer Kaltstartphase, vorzugsweise in der ersten 20 bis 30 Sekunden nach einem Kaltstart des Motors, deutlich zu reduzieren bzw. gänzlich zu vermeiden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasnachbehandlungsanlage für eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, die die Emissionen schädlicher Abgase während einer Kaltstartphase im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Abgasnachbehandlungsanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei die Abgasnachbehandlungsanlage einen Vorkatalysator und einen Hauptkatalysator umfasst, wobei die Abgasnachbehandlungsanlage weiter einen Startkatalysator umfasst, welcher während einer Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine dem Vorkatalysator in einer Abgasströmungsrichtung fluidisch vorgeschalten ist.
Insbesondere ist der Startkatalysator, der Vorkatalysator und der Hauptkatalysator dafür ausgebildet und vorgesehen, Schadstoffe eines Abgases der Verbrennungskraftmaschine katalytisch in unschädliche Stoffe umzuwandeln.
Der Startkatalysator ist vorzugsweise als ein Keramik-Katalysator, weiter vorzugsweise als ein Metallsubstrat-Katalysator ausgebildet, wobei der Metallsubstrat-Katalysator gegenüber dem Keramik-Katalysator eine geringere spezifische Wärmekapazität aufweist und dadurch vorteilhaft schneller aufheizbar ist.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Verbrennungskraftmaschine, kurz Motor, um einen Otto-Motor oder einen Diesel-Motor eines Fahrzeuges. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auch auf weitere Arten von Verbrennungskraftmaschinen Anwendung finden.
Der Vorkatalysator entspricht vorzugsweise bei einem Otto-Motors einem 3-Wege-Katalysator, bei einem Diesel-Motor vorzugsweise dem Dieseloxidationskatalysator.
Je nach Art, Größe und Auslegung der Verbrennungskraftmaschine und der Abgasnachbehandlungsanlage kann eine Kaltstartphase unterschiedlich lange andauern. Sie ist ebenso abhängig von der Umgebungstemperatur, wobei bei niedrigeren Temperaturen die Kaltstartphase länger andauert. Insbesondere ist die Temperatur der Abgasnachbehandlungsanlage dafür ausschlaggebend, die die Temperatur der Umgebung bei einer längeren Stehzeit des Motors angenommen hat. Die Kaltstartphase beginnt jedoch mit dem Kaltstart des Motors und endet, wenn zumindest der Vorkatalysator die Light-Off-Temperatur erreicht hat. Als Kaltstart wird somit auch bezeichnet, wenn der Motor erst kürzlich betrieben worden ist und warm ist, jedoch die Light-Off-Temperatur der Abgasnachbehandlungsanlage, die nach Abschalten des Motors relativ schnell abkühlt, unterschritten ist. Im Allgemeinen hat die Kaltstartphase eine Dauer von weniger als zwei Minuten, bevorzugt weniger als eine Minute, weiter bevorzugt von 10 bis 30 Sekunden.
Die Abgasströmungsrichtung ist dabei keine feste Raumrichtung, sondern ändert sich in Abhängigkeit der Geometrie der Abgasnachbehandlungsanlage, wobei die Bewegungsrichtung eines Abgasteilchens in einer laminaren Abgasströmung betrachtet wird.
Die fluidische Schaltreihenfolge einer Abgasnachbehandlungsanlage ist dabei in Abgasströmungsrichtung folgende: Motorauslass, Vorkatalysator, Hauptkatalysator, Auspuff. Ein Startkatalysator, der dem Vorkatalysator fluidisch vorgeschalten ist, ist somit zwischen dem Motorauslass und dem Vorkatalysator angeordnet, sodass sich folgende Schaltreihenfolge ergibt: Motorauslass, Startkatalysator, Vorkatalysator, Hauptkatalysator, Auspuff.
Die einzelnen Komponenten können jeweils durch Abgasleitungen miteinander fluidisch verbunden sein, wobei auch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Abgasturbolader oder ein Rußpartikelfilter integriert sein können, wobei der Abgasturbolader vorzugsweise zwischen dem Motorauslass und dem Startkatalysator angeordnet ist. Weiter ist es denkbar, dass die Abgasnachbehandlungsanlage neben einem Vor- und einem Hauptkatalysator zumindest einen weiteren Katalysator umfasst. Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls anwendbar auf eine Abgasnachbehandlungsanlage, die lediglich einen Katalysator umfasst, wobei der Startkatalysator während einer Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine dem einen Katalysator in einer Abgasströmungsrichtung fluidisch vorgeschalten ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Startkatalysator für einen im Vergleich zum Vorkatalysator geringeren Abgasmassestrom ausgelegt. Bevorzugt weist der Startkatalysator im Vergleich zum Vorkatalysator geringere Ausmaße, eine geringere Masse, eine geringere Wärmekapazität und/oder ein schnelleres Aufheizverhalten auf.
Der Vorkatalysator muss für einen Dauerbetrieb, auch für einen Vollastbetrieb des Motors bei einem Abgasmassestrom von mehreren Hundert Kilogramm pro Stunde (kg/h) ausgelegt sein, wohingegen der Startkatalysator für einen Leerlaufbetrieb bei einem Abgasmassestrom von etwa 20 bis 50 kg/h bzw. einen Betrieb bei niedriger Leistung des Motors bei einem Abgasmassestrom von wenigen Hundert kg/h ausgelegt ist. Vorzugsweise ist der Startkatalysator im Vergleich zum Vorkatalysator bezüglich des Abgasmassestroms 5- bis 50-fach, weiter bevorzugt 10- bis 20-fach kleiner ausgelegt.
Diese kleinere Auslegung, bevorzugt durch die geringeren räumlichen Ausmaße und der geringeren Masse des Startkatalysators ist besonders vorteilhaft, da dieser resultierend eine geringere Wärmekapazität und somit eine schnelleres Aufheizverhalten im Vergleich zum Vorkatalysator aufweist. Vorzugsweise wird die Zeit bis zum Erreichen der Light-Off-Temperatur im Startkatalysator um den Faktor 5 bis 50, weiter bevorzugt 10 bis 20 reduziert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Abgasnachbehandlungsanlage ein Absperrorgan, wobei mittels des Absperrorgans während der Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine ein Abgas durch den Startkatalysator strömbar ist.
Demnach ist das Abgas vom Motorauslass zunächst in den Startkatalysator strömbar, bevor es in den Vorkatalysator strömen kann.
Bevorzugt ist mittels des Absperrorgans zeitlich nach der Kaltstartphase oder einem Warmstart der Verbrennungskraftmaschine das Abgas im Wesentlichen nicht durch den Startkatalysator strömbar. In dieser Phase arbeitet die Abgasnachbehandlungsanlage in einem Normalbetrieb.
Im Wesentlichen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ein deutlich überwiegender Anteil des Abgases nicht in den Startkatalysator strömbar ist, wobei jedoch ein zu vernachlässigbarer Anteil dennoch in den Startkatalysator strömbar ist. Die wesentliche Strömungsrichtung des Abgases kann beispielsweise durch eine Aerodynamik der Abgasleitungen, insbesondere durch deren Geometrie oder durch entsprechende Leit- oder Schirmelemente, oder durch komponentenspezifische Strömungswiderstände, gezielt gerichtet werden, wobei der Startkatalysator fluidisch mit der Abgasnachbehandlungsanlage verbunden bleiben kann. Jedoch kann eine Strömung des Abgases auch durch fluidische Trennung des Startkatalysators unterbunden werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Absperrorgan als ein entlang einer Hauptströmungsrichtung translatorisch bewegliches Hülsenelement in einem Inneren einer dem Vorkatalysator fluidisch vorgeschalteten Abgasleitung ausgebildet.
Die Hauptströmungsrichtung ist diejenige Abgasströmungsrichtung, die im Wesentlichen parallel zu den umhüllenden Wandungen der Abgasnachbehandlungsanlage, vorzugsweise der Abgasleitungen verläuft.
Das Hülsenelement ist im Wesentlichen ein gerader Kreiszylinder, wobei eine Außenfläche einer Mantelflächenwand des Hülsenelementes eine Innenfläche der zylindrisch ausgebildeten Abgasleitung gleitend kontaktiert. Abgas ist im Wesentlichen parallel einer geometrischen Höhe des zylindrischen Hülsenelementes durch eine geometrische Grund- und Deckfläche strömbar.
Insbesondere kann durch eine translatorische Bewegung entlang der Hauptströmungsrichtung des Abgases das Hülsenelement zumindest eine erste Position, eine zweite Position und eine dritte Position einnehmen, wobei durch die Bewegung in Hauptströmungsrichtung die erste, und durch Bewegung entgegen der Hauptströmungsrichtung die zweite Position und die dritte Position einnehmbar ist.
Bevorzugt ist in der ersten Position des Absperrorgans der Startkatalysator fluidisch zwischen der Abgasleitung und dem Vorkatalysator geschalten.
Insbesondere kontaktiert eine in Hauptströmungsrichtung vordere, ringförmige Oberseite der Mantelflächenwand einen ringförmigen Einlass des Startkatalysators, sodass eine direkte, fluidische Verbindung zwischen der dem Vorkatalysator fluidisch vorgeschalteten Abgasleitung und dem Startkatalysator herstellbar ist. Insbesondere ist in der ersten Position eine direkte, fluidische Verbindung zwischen der dem Vorkatalysator fluidisch vorgeschalteten Abgasleitung und dem Vorkatalysator trennbar, sodass das Abgas zwingend in den Einlass des Startkatalysators strömbar ist.
Insbesondere ist die erste Position des Absperrorgans während einer Kaltstartphase, und die zweite Position und die dritte Position zeitlich außerhalb einer Kaltstartphase einnehmbar.
Bevorzugt ist in der zweiten Position und der dritten Position der Startkatalysator fluidisch parallel zum Vorkatalysator geschalten, sodass das Abgas parallel in den Vorkatalysator und in den Startkatalysator strömbar ist, wobei im Wesentlichen das Abgas in den Vorkatalysator strömbar ist. Die wesentliche Strömungsrichtung des Abgases kann beispielsweise durch die Aerodynamik der Abgasleitungen, insbesondere durch deren Geometrie oder durch entsprechende Leit- oder Schirmelemente, oder durch komponentenspezifische Strömungswiderstände, gezielt gerichtet werden. Insbesondere ist die für im Vergleich zum Vorkatalysator deutlich kleiner Auslegung für einen Abgasmassestrom Grund dafür, dass Abgas im Wesentlichen durch den Vorkatalysator strömt.
Alternativ bevorzugt ist in der zweiten Position und in der dritten Position der Startkatalysator fluidisch von der Abgasleitung getrennt. Insbesondere kann das Hülsenelement als ein 3/2-Wegeventil eingerichtet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Startkatalysator zumindest teilweise in einem Inneren des Vorkatalysators, insbesondere zentrisch im Inneren, angeordnet.
Im Inneren bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Vorkatalysator zumindest teilweise den Startkatalysator umgibt.
Bevorzugt kann der Startkatalysator zumindest teilweise in einem Inneren der dem Vorkatalysator fluidisch vorgeschalteten Abgasleitung ausgebildet sein.
Bevorzugt ist der Startkatalysator im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Alternativ bevorzugt ist der Startkatalysator rohrartig im Inneren der vorgeschalteten Abgasleitung und/oder des Vorkatalysators ausgebildet, wobei der Startkatalysator gebogen sein kann.
Bevorzugt erstreckt sich der Startkatalysator im Wesentlichen längs einer Hauptströmungsrichtung. Dies hat den Vorteil, dass das Abgas einen langen Weg durch den Startkatalysator zurücklegen muss, wobei infolge mehr Wärme vom Abgas in den Startkatalysator übergehen kann, sodass die Light-Off-Temperatur schneller erreicht wird.
Bevorzugt befindet sich ein Auslass des Startkatalysators im Wesentlichen in einem Auslassabschnitt des Vorkatalysators.
Insbesondere ist der Einlass des Startkatalysators im Wesentlichen in einem Einlassabschnitt des Vorkatalysators. Alternativ ist der Einlass des Vorkatalysators bereits in der dem Vorkatalysator vorgeschalteten Abgasleitung angeordnet. Die hat den Vorteil, dass die Temperatur des Abgases am Einlass des Startkatalysators höher ist, je näher sich dieser dem Motorauslass befindet. Dadurch kann die Light-Off-Temperatur schneller erreicht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Auslass des Startkatalysators mindestens ein Düsenelement zur Beschleunigung und Umlenkung der Abgasströmung entgegengesetzt der Hauptströmungsrichtung.
Vorzugsweise besteht ein Düsenelement aus einer Öffnung und einem Umlenkelement. Insbesondere weist eine Mantelflächenwand des Startkatalysators am Auslass im Umfangsrichtung zumindest eine, vorzugsweise mindestens vier, weiter vorzugsweise mindestens acht Düsenelemente auf.
Diese bevorzugte Ausführungsform hat mehrere Vorteile. Zum einen ist das umgelenkte Abgas entgegengesetzt der Hauptströmungsrichtung strömbar, sodass folglich das Abgas vom Auslassbereich des Vorkatalysators in Richtung des Einlassbereiches strömbar ist. Das Abgas ist jedoch lediglich über den Auslassbereich des Vorkatalysators entweichbar, sodass folglich das Abgas erneut in Hauptströmungsrichtung umlenkbar ist. Dadurch ist der zurückzulegende Weg des Abgases deutlich verlängerbar und somit mehr Wärme abgebbar. Insbesondere ist das Abgas erst im Einlassbereich des Vorkatalysators erneut umlenkbar, sodass der Weg des Abgases maximiert ist.
Des Weiteren hat das durch das mindestens eine Düsenelement beschleunigte Abgas im Auslassbereich des Vorkatalysators die Wirkung eines Treibmediums einer Strahlpumpe, wobei das in Hauptströmungsrichtung strömenden Abgas im Vorkatalysator als ein Saugmedium fungiert. Durch Impulsaustausch zwischen Treibmedium mit dem Saugmedium wird das Saugmedium in Richtung des Treibmediums umgelenkt und mitgerissen. Dadurch ist vorteilhaft das Abgas zumindest teilweise mehrfach durch den Vorkatalysator strömbar, sodass mehr Wärme an den Vorkatalysator durch das Abgas abgebbar ist.
Sowohl die Strahlpumpe als auch der Startkatalysator verursachen einen höheren Totaldruck zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Vorkatalysator. Bei einem Öffnen der Auslassventile der Brennräume liegt dieser erhöhte Abgasdruck auch im Brennraum an. Ein Kolben muss das Abgas durch Verrichtung von Arbeit ausstoßen. Diese verrichtete Arbeit kann verwendet werden, die Strahlpumpe anzutreiben. Sobald das Auslassventil nach dem Ausstoßen des Abgases den Brennraum wieder von Abgasnachbehandlungsanlage trennt, bleibt immer noch der erhöhte Abgasdruck im Brennraum erhalten. Durch den erhöhten Druck befindet sich mehr Abgasmasse im Brennraum während einer Kaltstartphase als nach einer Kaltstartphase, ohne den Startkatalysator und ohne den Effekt der Strahlpumpe. Beim nächsten Ansaugen von frischer Luft befindet sich während der Kaltstartphase vergleichsweise viel Abgas im Brennraum. Dieser Vorgang wird interne Abgasrückführung genannt. Dies hat den Vorteil, dass in der Startphase geringere Spitzentemperaturen im Brennraum erreicht werden können und somit NO_x-Rohemissionen reduziert werden können. Weiter muss eine Drosselklappe des Motors weiter geöffnet werden, um die gleiche Leistung einer Abtriebswelle des Motors zu erreichen. Dadurch werden Ladungswechselverluste reduziert. Weitere Vorteile der internen Abgasrückführung sind aus der Literatur bekannt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich ein Mischkatalysator zumindest teilweise im Inneren des Vorkatalysators im Wesentlichen längs der Abgasströmungsrichtung rohrartig um den Startkatalysator.
Zwischen einer Außenfläche der Mantelflächenwand des Startkatalysator und der Innenfläche der Mantelflächenwand des Mischkatalysators ist somit vorteilhaft ein Abgas strömbar.
Insbesondere ist der Mischkatalysator dazu ausgebildet und vorgesehen, Schadstoffe des Abgases katalytisch in unschädliche Stoffe umzuwandeln.
Bevorzugt befindet sich ein Einlass des Mischkatalysators im Wesentlichen in dem Auslassbereich des Vorkatalysators. Bevorzugt ist der Mischkatalysator ringförmig um den Auslass des Startkatalysators ausgebildet ist.
Insbesondere befindet sich ein Auslass des Mischkatalysators im Einlassbereich des Vorkatalysators.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Mischkatalysator dazu vorgesehen und ausgebildet, die beschleunigte und umgelenkte Abgasströmung aus dem Auslass des Startkatalysators entgegengesetzt zur Hauptströmungsrichtung zu führen.
Bevorzugt ist resultierend aus dem Effekt der Strahlpumpe die Abgasströmung aus dem Auslassabschnitt des Vorkatalysators teilweise umlenkbar, in den Mischkatalysator saugbar und mit der Abgasströmung aus dem Auslass des Startkatalysators entgegengesetzt zur Hauptströmungsrichtung mischbar.
Vorteilhaft wird mittels des Mischkatalysators der Effekt der Strahlpumpe verstärkt. Alternativ kann es vorteilhaft sein, auf den Mischkatalysator zu verzichten, um Kosten in der Fertigung einzusparen. Der Effekt der Strahlpumpe ist durch den Verzicht des Mischkanals zwar abgeschwächt, jedoch dennoch vorhanden.
Vorzugsweise ist der Mischkatalysator katalytisch beschichtet. Weiter insbesondere weist der Mischkatalysator in seinem Inneren Querkanäle auf, sodass das Abgas aus dem Startkatalysator und dem Vorkatalysator weiter vorteilhaft mischbar sind.
Durch die Umlenkung und die Beschleunigung der Abgasströmung mittels der Strahlpumpe in den Mischkatalysator wird eine axiale Kraft in Hauptströmungsrichtung induziert, die auf die Abgasnachbehandlungsanlage abgeleitet werden muss. Deshalb ist es vorteilhaft, Stützelemente, die den Mischkatalysator und die Strahlpumpe mit den Wandungen der Abgasnachbehandlungsanlage verbinden, in Bereiche, die dem Vorkatalysator fluidisch nachgeschalten sind, anzuordnen. In diesem Bereich ist die Abgasströmung durch die typische Kanalstruktur des Vorkatalysators laminarisiert und weist im Wesentlichen keine Drehbewegung auf. Somit können einfache, ungebogene Metallbleche als Stützelemente verwendet werden, um eine Verbindung zwischen der Strahlpumpe und den Wandungen der Abgasnachbehandlungsanlage herzustellen, wobei durch den Strömungswiderstand in der laminaren Abgasströmung lediglich ein weit geringerer Druckverlust entsteht als in einer turbulenten Abgasströmung in einem vorgeschalteten Bereich des Vorkatalysators.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abgasmassestrom aus dem Auslassabschnitt des Vorkatalysators in einen Einlass des Mischkatalysators mittels eines Einlasselementes begrenzbar.
Dies hat den Vorteil, dass das Abgas aus dem Startkatalysator und das Abgas aus dem Vorkatalysator auf ein zu erzielendes Mischungsverhältnis eingestellt werden kann. Beispielsweise hat das Abgas aus dem Startkatalysator eine Temperatur von 500 - 1000 °C und das Abgas aus dem Vorkatalysator von 100 - 300 °C. Somit kann das Aufheizverhalten derart optimiert werden, dass der Abgasmassestrom durch den Mischkatalysator maximal ist und eine gewünschte Mischtemperatur von beispielsweise 400-500 °C nicht unterschritten wird.
Insbesondere ist das Einlasselement als ein Abdeckblech mit einer löchrigen Struktur oder als Gitter ausgebildet, wobei durch die Anzahl und die Größe der Löcher der Abgasmassestrom durch den Einlass des Mischkatalysator begrenzbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Aktuator des Absperrorgans dazu vorgesehen und ausgebildet, das Absperrorgan zu betätigen.
Insbesondere ist der Aktuator signaltechnisch mit einer übergeordneten Motorsteuerung verbunden, die zumindest die Abgasnachbehandlung steuern und/oder regeln kann.
Weiter insbesondere ist der Aktuator außerhalb der Abgasnachbehandlungsanlage an dieser gelagert.
Vorzugsweise ist der Aktuator mechanisch beweglich mit dem Absperrorgan wirkverbunden. Insbesondere ist eine translatorische Bewegung des Aktuators über ein außerhalb und innerhalb der Abgasnachbehandlungsanlage bewegbares Verbindungsstück auf das Absperrorgan übertragbar, wobei das Absperrorgan in die erste, die zweite Position und die dritte Position bewegbar ist. Alternativ ist insbesondere eine rotatorische Bewegung des Aktuators über eine außerhalb und innerhalb der Abgasnachbehandlungsanlage bewegliche Schubkurbel in eine translatorische Bewegung des Absperrorgans wandelbar. Dies hat den Vorteil, dass eine rotierende Welle der Schubkurbel nach außen einfacher fluidisch abdichtbar ist.
Alternativ bevorzugt sind das Absperrorgan und eine Wastegateklappe eines Abgasturboladers miteinander wirkverbunden, sodass das Absperrorgan von einem Aktuator der Wastegateklappe betätigbar ist.
Dies hat den Vorteil, dass auf einen Aktuator, der lediglich das Absperrorgan steuert, verzichtet werden kann, wodurch Kosten in der Fertigung gespart werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Startkatalysator an einem distalen Ende in der Hauptströmungsrichtung eine Deckflächenwand auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Deckflächenwand des Startkatalysators zumindest eine Bohrung auf, wobei eine Abgasströmung in der Hauptströmungsrichtung zumindest teilweise durch die zumindest eine Bohrung der Deckflächenwand strömbar ist.
Dies hat beispielsweise bei einer Abgasnachbehandlungsanlage eines Diesel-Motors den Vorteil, dass das Abgas fluidisch nach dem Startkatalysator direkt in eine SCR-Abgasanlage zur Reduzierung von Stickoxiden strömen kann, ohne den Vorkatalysator zu durchströmen.
Gemäß einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform ist die Deckflächenwand des Startkatalysators eine Absperrklappe. Die Absperrklappe kann auch als eine Drosselklappe oder als ein Ventil jeglicher Art ausgebildet sein.
Bevorzugt ist ein Mechanismus dafür vorgesehen und ausgebildet, die Absperrklappe fluidisch zu öffnen, wobei eine Abgasströmung vom Startkatalysator in der Hauptströmungsrichtung zumindest teilweise durch das distale Ende des Startkatalysators strömbar ist. Vorzugsweise ist die Absperrklappe in einem Normalbetrieb des Motors geöffnet. Demnach ist das Abgas aus dem Auslass des Startkatalysators in den Auslassabschnitt des Vorkatalysators in die fluidisch nachgeschalteten Komponenten der Abgasnachbehandlungsanlage und nicht durch die Düsenelemente strömbar. Die Strahlpumpe ist damit im Normalbetrieb des Motors außer Betrieb.
Dies hat den Vorteil, dass im Normalbetrieb das Abgas zusätzlich in Hauptströmungsrichtung durch den Mischkatalysator strömbar ist, wodurch der Querschnitt des Vorkatalysators und damit die Kosten reduziert werden können. Vorteilhaft wird dadurch auch der Druckverlust in der Abgasnachbehandlungsanlage reduziert, wodurch indirekt der Ausstoß an Kohlendioxid des Motors reduziert wird.
Weiter ist der Mechanismus dafür vorgesehen und ausgebildet, die Absperrklappe fluidisch zu schließen. Somit ist das Abgas aus dem Startkatalysator vollständig durch die Düsenelemente strömbar. Vorzugsweise ist die Absperrklappe während einer Kaltstartphase des Motors geschlossen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Absperrklappe mit dem Absperrorgan über den Mechanismus mechanisch wirkverbunden. Beispielsweise ist der Mechanismus als Gestänge ausgebildet, das das Absperrorgan mit der Absperrklappe verbindet, wobei das Gestänge durch den Startkatalysator, den Vorkatalysator oder zwischen diesen geführt werden kann.
Gemäß einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform ist die Absperrklappe mit einem Aktuator einer Wastegateklappe über den Mechanismus mechanisch wirkverbunden. Beispielsweise ist der Mechanismus als Gestänge ausgebildet, das den Aktuator der Wastegateklappe mit der Absperrklappe außerhalb der Abgasnachbehandlungsanlage verbindet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Düsenquerschnittsfläche des mindestens einen Düsenelementes veränderbar, vorzugsweise vergrößerbar und verkleinerbar. Dies hat den Vorteil, dass die Düsenelemente dem Massestrom des Abgases angepasst werden können. Bei einer konstanten Düsenquerschnittsfläche könnte sich ein zu hoher Totaldruck vor dem Düsenelement aufbauen.
Bei kleinen Abgasmasseströmen ist die Düsenquerschnittsfläche vorteilhaft verkleinerbar und bei großen Abgasmasseströmen vergrößerbar, sodass der Totaldruck vor dem Düsenelement stufenlos einstellbar ist.
Vorzugsweise ist die Düsenquerschnittsfläche durch ein weiteres Hülsenelement, dass auf der Innenseite der Mantelflächenwand des Startkatalysators in Hauptströmungsrichtung translatorisch gleitend gelagert ist, anpassbar, wobei das weitere Hülsenelement zumindest teilweise über die Düsenquerschnittsfläche bewegbar ist.
Weiter ist das weitere Hülsenelement vorzugsweise mit der Wastegateklappe des Turboladers insbesondere über ein Gestänge mechanisch wirkverbunden und dadurch betätigbar.
Insbesondere wird die zugrunde liegende Aufgabe von einem Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage, bevorzugt nach Anspruch 4, gelöst, umfassend die Verfahrensschritte:

a. Betätigen des Absperrorgans in die erste Position, wobei der Startkatalysator fluidisch zwischen der Abgasleitung und dem Vorkatalysator geschalten ist,
b. Kaltstarten und Betreiben der Verbrennungskraftmaschine, sowie Aufheizen der Abgasnachbehandlungsanlage mittels einer Abgasströmung der Verbrennungskraftmaschine,
c. Betätigen des Absperrorgans in die zweite Position oder die dritte Position nach der Kaltstartphase, wobei der Startkatalysator fluidisch parallel zum Vorkatalysator geschalten oder von der Abgasleitung fluidisch getrennt ist.

Vorzugsweise kann mittels eines elektrischen Heizelementes bereits vor dem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine im Verfahrensschritt b. der Startkatalysator, insbesondere auf die Light-Off-Temperatur, aufgeheizt werden. Das elektrische Heizelement kann beispielsweise beim Entriegeln eines Kraftfahrzeuges durch die Versorgungsbatterie mit elektrischer Leistung versorgt werden.
In diesem Zusammenhang ist der Kaltstart ein Start, bei der die Betriebstemperatur des Motors und insbesondere der Abgasnachbehandlungsanlage unterschritten ist, beispielsweise nach einer längeren Standzeit. Als Kaltstart wird auch bezeichnet, wenn der Motor erst kürzlich betrieben worden ist und warm ist, jedoch die Light-Off-Temperatur der Abgasnachbehandlungsanlage, die nach Abschalten des Motors relativ schnell abkühlt, unterschritten ist.
Weitere Ziele, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der vorliegenden Erfindung sind anhand anliegender Zeichnungen und nachfolgender Beschreibung erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Abgasnachbehandlungsanlage gemäß dem Stand der Technik;
2a eine schematische Darstellung einer bevorzugten Abgasnachbehandlungsanlage in einem Normalbetrieb einer Verbrennungskraftmaschine;
2b eine schematische Darstellung der Abgasnachbehandlungsanlage während einer Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine;
3a einen Abschnitt einer Abgasnachbehandlungsanlage einer bevorzugten Ausführungsform während der Kaltstartphase;
3b einen Abschnitt einer Abgasnachbehandlungsanlage einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform während der Kaltstartphase;
4a einen Abschnitt einer Abgasnachbehandlungsanlage einer bevorzugten Ausführungsform im Normalbetrieb bei einem geschlossenen Turbolader-Bypass;
4b einen Abschnitt einer Abgasnachbehandlungsanlage einer bevorzugten Ausführungsform im Normalbetrieb bei einem geöffneten Turbolader-Bypass;
5a eine Detailansicht einer Strahlpumpe einer bevorzugten Ausführungsform während der Kaltstartphase;
5b eine Detailansicht einer Strahlpumpe einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Einlasselement während der Kaltstartphase;
6a einen Startkatalysator einer bevorzugten Ausführungsform mit einer geschlossenen Absperrklappe;
6b einen Startkatalysator einer bevorzugten Ausführungsform mit einer geöffneten Absperrklappe;
7a einen Querschnitt eines Absperrorgans einer bevorzugten Ausführungsform;
7b einen Querschnitt eines Absperrorgans einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform mit einem Rohrelement;
7c einen Querschnitt eines Absperrorgans einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform mit optimierter Aerodynamik;
8a das Absperrorgan einer bevorzugten Ausführungsform während der Kaltstartphase;
8b das Absperrorgan einer bevorzugten Ausführungsform im Normalbetrieb bei einem geschlossenen Turbolader-Bypass;
8c das Absperrorgan einer bevorzugten Ausführungsform im Normalbetrieb bei einem geöffneten Turbolader-Bypass;
9a das Absperrorgan einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform während der Kaltstartphase;
9b das Absperrorgan einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform im Normalbetrieb bei einem geschlossenen Turbolader-Bypass;
9c das Absperrorgan einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform im Normalbetrieb bei einem geöffneten Turbolader-Bypass;
10a den Einlass des Startkatalysators einer bevorzugten Ausführungsform während der Kaltstartphase;
10b den Einlass des Startkatalysators einer bevorzugten Ausführungsform im Normalbetrieb bei einem geschlossenen Turbolader-Bypass;
10c den Einlass des Startkatalysators einer Abgasnachbehandlungsanlage einer bevorzugten Ausführungsform im Normalbetrieb bei einem geöffneten Turbolader-Bypass;
11a einen Aktuator des Absperrorgans während einer Kaltstartphase;
11b einen Aktuator des Absperrorgans im Normalbetrieb.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung der Abgasnachbehandlungsanlage 1 gemäß dem Stand der Technik, wobei die Abgasnachbehandlungsanlage 1 einen Vorkatalysator 10 und einen Hauptkatalysator 3 umfasst. Abgas ist in Abgasströmungsrichtung X von einer Verbrennungskraftmaschine 2 in den Vorkatalysator 10, vom Vorkatalysator 10 in den Hauptkatalysator 3, und weiter in den Auspuff (nicht gezeigt) strömbar.
Die 2a zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Abgasnachbehandlungsanlage 1 in einem Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 2, wobei die Abgasnachbehandlungsanlage 1 neben dem Vorkatalysator 10 und dem Hauptkatalysator 3 weiter einen Startkatalysator 20 und einen Mischkatalysator 30 umfasst. Im Normalbetrieb ist das Abgas im Wesentlichen entlang der Abgasströmungsrichtung X in den Vorkatalysator strömbar, wobei im Wesentlichen kein Abgas in den Startkatalysator strömbar ist.
Die 2b zeigt eine schematische Darstellung der Abgasnachbehandlungsanlage 1 während einer Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine 2. Abgas ist in Abgasströmungsrichtung X bzw. in einer Hauptströmungsrichtung X1 von der Verbrennungskraftmaschine 2 in den Startkatalysator 20 strömbar. Von dort ist das Abgas in einer entgegengesetzten Strömungsrichtung X2 in den Mischkatalysator 30 strömbar. Weiter ist Abgas vom Vorkatalysator 10 zumindest teilweise in den Mischkatalysator 30 in entgegengesetzter Strömungsrichtung X2 strömbar. Vom Mischkatalysator 30 ist das Abgas in den Vorkatalysator 10 strömbar, wobei Abgas vom Vorkatalysator 10 zumindest teilweise in den Mischkatalysator 30 und/oder den Hauptkatalysator 3 strömbar ist.
Die 3a zeigt einen Abschnitt einer Abgasnachbehandlungsanlage 1 einer bevorzugten Ausführungsform während einer Kaltstartphase. Während einer Kaltstartphase, bei der zumindest der Vorkatalysator 10 auf eine Light-Off-Temperatur aufgeheizt werden soll, ist ein Turbolader 50 durch eine weit geöffnete Wastegateklappe 52 nicht aktiv. Die Verbrennungskraftmaschine 2 hat dadurch eine geringere, maximale Leistung und auch ein geringeres Drehmoment zur Verfügung. Zusätzlich ist es denkbar, dass eine übergeordnete Motorsteuerung das Drehmoment in der Kaltstartphase noch weiter herabsetzt.
Durch die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsanlage 1 ergibt sich vorteilhaft, dass die Limitierung des Drehmomentes im Optimalfall auf unter eine Minute begrenzt ist. Durch diese Limitierung verringert sich ebenso vorteilhaft der Motorverschleiß bei noch nicht optimaler Betriebsbedingungen des Motors 1 nach einem Kaltstart. Weiter wird vorteilhaft eine erhöhte mechanische Belastung bei einem verringerten Drehmoment während der Kaltstartphase verhindert.
Das Abgas strömt über einen Turbolader-Bypass 51 entlang der Abgasströmungsrichtung X in eine Abgasleitung 54, die zumindest dem Vorkatalysator 10 fluidisch vorgeschalten ist. Ein als ein Hülsenelement 40 ausgebildetes Absperrorgan 40 befindet sich in einer ersten Position P1 in Hauptströmungsrichtung X1 vorne im Anschlag mit einem Einlass 21 des Startkatalysators 20. Eine Außenfläche 44 einer Mantelflächenwand 43 des Absperrorgans kontaktiert zumindest teilweise eine Innenseite 55 der Abgasleitung 54. Vorteilhaft können vorzugsweise stegartige Führungselemente in Hauptströmungsrichtung X1 eine rotatorische Bewegung, beziehungsweise ein Verkanten des Absperrorgans 40 verhindern, sodass lediglich eine translatorische Bewegung in Hauptströmungsrichtung X1 möglich ist.
Eine Oberseite 46 der Mantelflächenwand 43 des Absperrorgans 40 kontaktiert den Einlass 21, wobei eine fluidische Verbindung zwischen dem Absperrorgan 40 und dem Startkatalysator 20 besteht, wobei sich der Startkatalysator 20 zentrisch in einem Inneren des Vorkatalysators 10 befindet. Ein Einlass 11 des Vorkatalysators 10 ist in der ersten Position P1 des Absperrorgans 40 von der Abgasleitung 54 durch zumindest einen Teil der Mantelflächenwand 43 des Absperrorgans fluidisch getrennt.
An der Mantelflächenwand 43 ist ein Lagerelement 45 angeordnet, wobei ein Verbindungselement 41 um eine erste Drehachse A1 mit der Wastegateklappe 52 und um eine zweite Drehachse A2 mit dem Lagerelement 45 drehbar wirkverbunden ist. Das Verbindungselement 41 kann starr ausgebildet sein, beispielsweise als Stange. Alternativ ist das Verbindungselement 41 flexibel, beispielsweise als Stahlseil, ausgebildet, wobei das Verbindungselement 41 seitlich an der Abgasleitung 54 durch Laschen führbar ist. Jedoch sollte das flexible Verbindungselement 41 dazu ausgebildet sein, eine Druckkraft übertragen zu können. Durch die flexible Ausgestaltung des Verbindungselementes 41 lässt sich vorteilhaft dieses entlang der Innenseite 55 der Abgasleitung führen, die Wastegateklappe 52 und das Absperrorgan 40 können weiter disloziert werden und die Abgasnachbehandlungsanlage 1 kann freier in der geometrischen Anordnung der Komponenten gestaltet werden.
Insbesondere zeigt die 3a die um eine dritte Achse A3 drehbare Wastegateklappe 52 in der ersten Position P1, wobei der Turbolader-Bypass 51 maximal fluidisch durchströmbar und das Absperrorgan aufgrund der mechanischen Verbundenheit ebenfalls in einer ersten Position P1 ist.
Das durch das Absperrorgan 40 strömbare Abgas ist in der ersten Position P1 weiter in Hauptströmungsrichtung X1 strömbar in den Startkatalysator 20, wobei das heiße Abgas Wärme an den Startkatalysator 20 abgeben kann. An einem Auslass 22 des Startkatalysators 20 ist Abgas durch mehrere Düsenelemente 23 beschleunigbar und im Wesentlichen in eine entgegengesetzte Strömungsrichtung X2 strömbar.
In einer Mantelflächenwand 25 des Startkatalysators 20 am Auslass 22 sind im Umfangsrichtung die Düsenelemente 23 in Form von Öffnungen und Lenkelementen ausgebildet, wobei das Abgas aus dem Startkatalysator 20 durch die Düsenelemente 23 strömbar ist.
Bevorzugt ist der Auslass 22 derart ausgebildet, dass eine Deckfläche am Auslass 22 des Startkatalysators 20 durch eine Deckflächenwand 27 fluidisch abgeschlossen ist, sodass das Abgas des Startkatalysators 20 vollständig über die Düsenelemente 23 entweichbar ist.
Alternativ weist die Deckflächenwand 27 des Startkatalysators 20 bevorzugt zumindest eine definierte Bohrung auf, sodass das Abgas zumindest teilweise direkt über den Auslassbereich 12 des Vorkatalysators 10 entweichbar ist, wobei das Abgas zumindest teilweise weiterhin durch die Düsenelemente 23 strömbar ist.
Der längs der Hauptströmungsrichtung X1 zylindrisch ausgebildete Startkatalysator 20 ist zumindest teilweise rohrartig umgeben von dem Mischkatalysator 30, wobei zwischen der Außenfläche der Mantelflächenwand 25 des Startkatalysators 20 und der Innenfläche der Mantelflächenwand 34 des Mischkatalysators 30 das beschleunigte und umgelenkte Abgas aus dem Startkatalysator 20 strömbar ist.
Das beschleunigte und umgelenkte Abgas aus dem Startkatalysator 20 fungiert hierbei als ein Treibmedium einer Strahlpumpe 24, wobei Abgas aus einem Auslassbereich 12 des Vorkatalysators 10 als ein Saugmedium durch das Einlasselement 33 des Mischkatalysators 30 saugbar ist, wobei das Treibmedium und das Saumedium im Mischkatalysator 30 mischbar und in entgegengesetzter Strömungsrichtung X2 aus dem Mischkatalysator 30 in einen Einlassbereich 11 des Vorkatalysators 10 strömbar ist. Begünstigt durch die konische Geometrie des Einlasses 21 des Startkatalysators 20 und des Einlassbereiches 11 des Vorkatalysators 10 ist die Abgasströmungsrichtung X erneut umlenkbar in Hauptströmungsrichtung X1, wobei das Abgas durch den Vorkatalysator 10 zum Auslassbereich 12 strömbar ist. Von dort kann das Abgas zumindest teilweise durch die Sogwirkung des Treibmediums der Strahlpumpe 24 in den Mischkatalysator 30 eingesogen werden und/oder in Hauptströmungsrichtung X1 entweichen.
Die 3b zeigt einen Abschnitt einer Abgasnachbehandlungsanlage 1 einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform während der Kaltstartphase. Der Unterschied zur 3a ist, dass dem Absperrorgan 40 ein nachgeschaltetes Abgasrohr 54 vorhanden und um 90 Grad gebogen ist, wodurch ersichtlich ist, dass der Vorkatalysator 10 nicht unmittelbar an das Absperrorgan 40 angrenzen muss, beispielsweise weil einer solchen Anordnung baulich nicht möglich ist. Der Startkatalysator 20, der sich zumindest teilweise im Inneren des Vorkatalysators 10 ausbildet, erstreckt sich weiter innerhalb des Abgasrohres 54 und ist beispielsweise gebogen. Dadurch kann vorteilhaft der Einlass des Startkatalysators 20 näher an die Verbrennungskraftmaschine 2 angeordnet werden, wobei dort das Abgas eine leicht höhere Temperatur aufweist und dadurch die Light-Off-Temperatur früher erreicht wird.
Alternativ erstreckt sich der Startkatalysator 20 nicht in der gebogenen Abgasleitung 54, sondern lediglich im Inneren des Vorkatalysators 10. Vorzugsweise verbindet eine Rohrverbindung 26 das Absperrorgan 40 und den Startkatalysator 20, wobei die Rohrverbindung 26 im Inneren thermisch isoliert ist, sodass ein Temperaturabfall des Abgases reduziert wird.
Die 4a zeigt einen Abschnitt einer Abgasnachbehandlungsanlage 1 einer bevorzugten Ausführungsform im Normalbetrieb bei einem fluidisch abgeschlossen Turbolader-Bypass 51, wobei dieser durch die Wastegateklappe 52 in einer dritten Position P3 schließbar ist. Folglich ist das Abgas durch die Turbine 56 des Turboladers 50 strömbar.
Im Unterschied zur 3a befindet sich das Absperrorgan 40 gegenüber der ersten Position P1 in der entgegen der Hauptströmungsrichtung X1 translatorisch bewegten dritten Position P3, sodass der Startkatalysator 20 fluidisch parallel zum Vorkatalysator 10 geschalten ist. Die Außenfläche 44 der Mantelflächenwand 43 des Absperrorgans 40 kontaktiert im Wesentlichen vollständig die Innenseite 55 der Abgasleitung 54, sodass das Absperrorgan 40 nicht in die Abgasströmungsrichtung X eingreifen kann. Die translatorische Bewegung des Absperrorgans 40 ist durch die Rotation der Wastegateklappe 52 um die dritte Achse A3 und der Wirkverbundenheit über das Verbindungselement 41 betätigbar, wobei dadurch zumindest indirekt das Absperrorgan 40 mittels eines Aktuators der Wastegateklappe 52 betätigbar ist.
Aufgrund der im Vergleich zum Startkatalysator 20 deutlich größeren Auslegung des Vorkatalysators 10 ist das Abgas im Wesentlichen in den Vorkatalysator 10 strömbar, wobei das Abgas über den Auslassbereich 12 des Vorkatalysators 10 entweichbar ist.
Die 4b zeigt einen Abschnitt einer Abgasnachbehandlungsanlage 1 einer bevorzugten Ausführungsform im Normalbetrieb bei einem fluidisch geöffneten Turbolader-Bypass 51, wobei dieser durch die Wastegateklappe 52 in einer zweiten Position P2 öffenbar ist.
Insbesondere ist die Wastegateklappe 52 zumindest zwischen der zweiten Position P2 und der dritten Position P3 stufenlos einstellbar, sodass der Abgasturbolader 50 steuer- und/oder regelbar ist. In der erste Position P1 ist Abgas über den Turbolader-Bypass 51 in den Startkatalysator 20 strömbar, in der zweiten Position P1 ist Abgas über den Turbolader-Bypass 51 in den Vorkatalysator 10 strömbar und in der dritten Position P3 ist das Abgas über die Turbine 53 in den Vorkatalysator 10 strömbar, wobei zwischen den Positionen P1 und P2 das Abgas in einem steuer- und regelbaren Verhältnis über den Turbolader-Bypass 51 und die Turbine 52 strömbar ist.
Im Unterschied zur 4a befindet sich das Absperrorgan 40 gegenüber der dritten Position P3 in einer in Hauptströmungsrichtung X1 translatorisch bewegten zweiten Position P2, wobei der Startkatalysator 20 fluidisch parallel zum Vorkatalysator 10 geschalten ist.
Die 4a und 4b haben gemeinsam, dass die Außenfläche 44 der Mantelflächenwand 43 des Absperrorgans 40 im Wesentlichen vollständig die Innenseite 55 der Abgasleitung 54 kontaktiert, sodass das Absperrorgan 40 nicht in die Abgasströmungsrichtung X eingreifen kann.
Aufgrund der im Vergleich zum Startkatalysator 20 deutlich größeren Auslegung des Vorkatalysators 10 ist das Abgas im Wesentlichen in den Vorkatalysator 10 strömbar, wobei das Abgas über den Auslassbereich 12 des Vorkatalysators 10 entweichbar ist.
Aufgrund der im Vergleich zum Startkatalysator 20 deutlich größeren Auslegung des Vorkatalysators 10 ist das Abgas im Wesentlichen in den Vorkatalysator 10 strömbar, wobei das Abgas über den Auslassbereich 12 des Vorkatalysators 10 entweichbar ist.
Die 5a zeigt eine Detailansicht einer Strahlpumpe 24 einer bevorzugten Ausführungsform während der Kaltstartphase. Das Abgas ist in Hauptströmungsrichtung X1 durch den Startkatalysator 20 strömbar am Auslass 22 über mehrere Düsenelemente 23, die vorzugsweise eine veränderbare Düsenquerschnittsfläche D aufweisen, in den Mischkatalysator 30 entweichbar, wobei das Abgas durch die Düsenelemente 23 beschleunigbar und in die entgegengesetzte Strömungsrichtung X2 umlenkbar ist. Das beschleunigbare Abgas ist als Saumedium einer Strahlpumpe 24 fungierbar, wobei resultierend das in Hauptströmungsrichtung X1 durch den Vorkatalysator 10 strömbare Abgas im Auslassbereich 12 zumindest teilweise in einem Impulsaustauschverfahren mit dem Saugmedium in entgegengesetzte Richtung X2 umlenkbar und in den Mischkatalysator 30 saugbar ist. Zumindest teilweise ist das Abgas aus dem Vorkatalysator 10 über den Auslass 12 in Hauptströmungsrichtung X1 entweichbar.
Vorteilhaft weist der Mischkatalysator 30 kleine Kanäle quer zur Abgasströmungsrichtung X auf, wodurch die Saugwirkung der Strahlpumpe 24 verstärkbar ist. Alternativ oder kumulativ weist der Mischkatalysator 30 eine klassische Fangdüse (in der Figur nicht gezeigt) einer Strahlpumpe 24 auf, die dem Einlass 31 des Mischkatalysators 30 fluidisch vorgeschalten ist. Die 5b zeigt wie 5a eine Detailansicht einer Strahlpumpe 24, wobei der Einlass 31 des Mischkatalysators 30 ein Einlasselement 33 aufweist. Somit ist der Abgasmassestrom aus dem Auslassbereich 12 des Vorkatalysators 10 durch einen reduzierten Ansaugquerschnitt begrenzbar.
Die 6a zeigt einen Startkatalysator 20 einer bevorzugten Ausführungsform mit einer geschlossenen Absperrklappe 27a, vorzugsweise während der Kaltstartphase des Motors 2, wobei die Absperrklappe 27a über einen Mechanismus 28 betätigbar und gegen ein distales Ende am Auslass 22 des Startkatalysators 20 andrückbar ist. Durch diesen fluidischen Verschluss ist das Abgas am Auslass 22 durch die Düsenelemente 23 strömbar, wobei das Abgas in entgegengesetzte Strömungsrichtung X2 in den Mischkatalysator 30 umlenkbar ist.
Die 6b zeigt einen Startkatalysator 20 einer bevorzugten Ausführungsform mit einer geöffneten Absperrklappe 27a, vorzugsweise in einem Normalbetrieb des Motors 2. Dadurch ist das Abgas durch das distale Ende am Auslass 22 des Startkatalysators 20 in Hauptströmungsrichtung X1 in den Auslassbereich 12 des Vorkatalysators 10 strömbar. Aufgrund der Öffnung der Absperrklappe 27a ist kein Abgas durch die Düsenelemente 23 strömbar. Folglich ist das Abgas in Hauptströmungsrichtung X1 durch den Mischkatalysator 30 strömbar.
Die 7a zeigt einen Querschnitt eines Absperrorgans 40 einer bevorzugten Ausführungsform. Das Absperrorgan 40 ist als ein zylindrisches Hülsenelement 40 ausgebildet, wobei eine Mantelfläche von einer Mantelflächenwand 43 umgeben ist. Eine Grundfläche und eine Deckfläche sind von dem Abgas durchströmbar. Die Außenfläche 44 der Mantelfächenwand 43 ist mit der Innenseite 55 der Abgasleitung 54 gleitend kontaktierbar. An der Innenfläche 48 der Mantelflächenwand 43 ist ein Lagerelement 45 zur drehbaren Lagerung des Verbindungselementes 41 angeodnet. Die Oberseite 46 der Manteflächenwand 43 ist dazu ausgebildet, in der Kaltstartphase den Einlass 21 des Startkatalysators 20 zu fluidisch abdichtend zu kontaktieren, sodass Abgas in den Startkatalysator 20 strömbar ist.
Die 7b zeigt einen Querschnitt eines Absperrorgans 40 einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform, die gegenüber der Ausführungsform gemäß der 7a zusätzlich ein zylindrisches Rohrelement 49 umfasst, wobei das Rohrelement 49 zentrisch koaxial im Inneren des Hülsenelementes 40 angeordnet ist. Zur Befestigung an der Innenfläche 48 der Mantelflächenwand 48 des Hülsenelementes 40 dienen, zumindest zwei, bevorzugt drei Stegelemente 49a, die das Hülsenelement 40 und das Rohrelement 49 fest verbinden und die entsprechend aerodynamisch in der Hauptströmungsrichtung X1 des Abgases radial ausgebildet sind.
Das Rohrelement 48 ist dafür vorgesehen, in dessen Inneren das Abgas in den Startkatalysator 20 zu führen. Das Hülsenelement 40, wie in 7b gezeigt, in ebenfalls in den 9a bis 9c gezeigt.
Die 7c zeigt einen Querschnitt eines Absperrorgans 40 einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform mit einer optimierten Aerodynamik gegenüber der Ausführungsform gemäß der 7b. Das Hülsenelement 40 ist an dessen Einlass konisch geformt, wobei die Mantelflächenwand 43 spitz zuläuft. Das Lagerelement 45 spitzt sich kegelförmig zu, wodurch die Aerodynamik verbessert wird.
Die 8a zeigt das Absperrorgan 40 einer bevorzugten Ausführungsform während der Kaltstartphase in der Position P1 in einer vergrößerten Darstellung der 3a.
Die 8b zeigt das Absperrorgan 40 einer bevorzugten Ausführungsform im Normalbetrieb bei einem geschlossenen Turbolader-Bypass 51 in der Position P3 in einer vergrößerten Darstellung der 4a.
Die 8c zeigt das Absperrorgan 40 einer bevorzugten Ausführungsform im Normalbetrieb bei einem geöffneten Turbolader-Bypass 51 in der Position P2 in einer vergrößerten Darstellung der 4b.
Die 9a zeigt das Absperrorgan 40 einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform während der Kaltstartphase mit dem Hülsenelement 40 gemäß der 7b in der ersten Position P1. Weiter umfasst die Abgasnachbehandlungsanlage ein zylindrisches, im Inneren hohles und Abgas führbares Führungselement 56, welches zentrisch koaxial in der dem Vorkatalysator 10 vorgeschalteten Abgasleitung 54 fest angeordnet ist. Das Rohrelement 49 des Hülsenelementes 40 ist translatorisch gleitend um das Führungselement 56 gelagert.
Weiter ist dem Einlassbereich 11 des Vorkatalysators 10 und dem Einlass 21 des Startkatalysators 20 ein Leitelement 57 fluidisch vorgeschalten, wobei das im Inneren hohl ausgebildete Leitelement 57 in dessen Inneren mit dem Inneren des Führungselementes 56 und dem Einlass 21 fluidisch miteinander verbunden sind. Das Führungselement 56 weist an dessen Mantelfläche zumindest einen Einlass 56a auf, wo hindurch Abgas strömbar durch das Innere des Führungselementes 56 in den Startkatalysator strömbar ist. In der ersten Position P1 ist der Einlass 56a des Führungselementes 56 fluidisch geöffnet und von Abgas durchströmbar.
In der ersten Position P1 kontaktieren sich das Leitelement 57 und die Oberseite 46 der Mantelflächenwand 43 des Absperrorgans 40 und schließen den Einlassbereich 11 des Vorkatalysators 10 fluidisch von der vorgeschalteten Abgasleitung 54 ab.
Die 9b zeigt das Absperrorgan 40 einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform im Normalbetrieb bei einem geschlossenen Turbolader-Bypass 51 mit dem Hülsenelement 40 gemäß der 7b in der dritten Position P3. Durch die translatorische Bewegung des Hülsenelementes 40 und des Rohrelementes 49 über die Mantelfläche des Führungselementes 56a entgegen der Hauptströmungsrichtung X1 von der Position P1 in die Position P3 ist der Einlass 56a des Führungselementes durch das darüber geschobene Rohrelement 49 fluidisch abgeschlossen. Somit ist auch der Einlass 21 des Startkatalysators 20 fluidisch von der Abgasnachbehandlungsanlage 1 getrennt.
Weiter ist der Kontakt und der fluidische Verschluss zwischen dem Hülsenelement 40 und dem Leitelement 57 gelöst, sodass Abgas in den Einlassbereich 11 des Vorkatalysators 10 strömbar ist. Das Leitelement 57 erfüllt dabei zusätzlich die Funktion, das Abgas aerodynamisch in den Einlassbereich 11 zu leiten.
Die 9c zeigt das Absperrorgan 40 einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform im Normalbetrieb bei einem geöffneten Turbolader-Bypass 51 mit dem Hülsenelement 40 gemäß der 7b in der zweiten Position P2. Vergleichbar mit der 9b ist Abgas durch den Einlassbereich 11 des Vorkatalysators 10 strömbar, wohingegen der Einlass 21 des Startkatalysators fluidisch abgetrennt ist. Der Unterschied zur 9b besteht lediglich im Öffnungsgrad des Turbolader-Bypasses 51 durch die Wastegateklappe 52.
Die 10a-10c sind im Wesentlichen vergleichbar mit den 8a-8c, mit dem Unterschied, dass die Ausführungsform der 10a-10c am Einlass 11 des Startkatalysators 10 zusätzlich ein Schirmvorrichtung 58, umfassend ein vorderes Schirmelement 58a und ein hinteres Schirmelement 58b, aufweist.
Das vordere, plattenartige Schirmelement 58a ist gegenüber dem hinteren, ringartigen Schirmelement 58b in Hauptströmungsrichtung X1 beabstandet, sodass zumindest eine vorzugsweise spaltartige Öffnung ausgebildet ist, durch die das Abgas in den Einlass 21 des Startkatalysators 20 strömbar ist.
In der ersten Position P1, gezeigt in der 10a, ist das Abgas durch das vordere Schirmelement 58a um dieses umlenkbar und in die Öffnung der Schirmvorrichtung 58 in den Einlass 10 des Startkatalysators strömbar.
In der dritten Position P3, gezeigt in der 10b, und in der zweiten Position P3, gezeigt in der 10c, ist das Abgas durch die Schirmvorrichtung 58 in den Einlassbereich 11 des Vorkatalysators 10 lenkbar, sodass im Wesentlichen kein Abgas in den Einlass 21 des Startkatalysators 20 strömbar ist. Der unwesentliche Anteil des Abgases, der in den Startkatalysator 20 strömbar ist, wird dadurch weiter vorteilhaft minimiert.
Die 11a zeigt einen Aktuator 42 des Absperrorgans 40 während einer Kaltstartphase in der ersten Position P1, wobei der Aktuator 42 an einer beliebigen Stelle an oder in der Nähe der Abgasnachbehandlungsanlage 1 angeordnet sein kann. Ein Verbindungsstück 47 verbindet den außerhalb der Abgasleitung 54 befindlichen Aktuator 42 mit dem innerhalb der Abgasleitung 54 befindlichen Absperrorgan 40, wobei eine translatorische Bewegung des Aktuators 42 auf das Absperrorgan 40 übertragbar ist.
Die 11b zeigt den Aktuator 42 des Absperrorgans 40 im Normalbetrieb der Abgasnachbehandlungsanlage 1 in einer zweiten Position P2 bzw. dritten Position P3.
Es versteht sich, dass es sich bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen lediglich um eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt. Insofern beschränkt sich die Ausgestaltung der Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste

1: Abgasnachbehandlungsanlage
2: Verbrennungskraftmaschine, Motor
3: Hauptkatalysator
10: Vorkatalysator
11: Einlassbereich des Vorkatalysators
12: Auslassbereich des Vorkatalysators
20: Startkatalysator
21: Einlass des Startkatalysators
22: Auslass des Startkatalysators
23: Düsenelement
24: Strahlpumpe
25: Mantelflächenwand des Startkatalysators
26: Rohrverbindung
27: Deckflächenwand
27a: Absperrklappe
28: Mechanismus
30: Mischkatalysator
31: Einlass des Mischkatalysators
32: Auslass des Mischkatalysators
33: Einlasselement
34: Mantelflächenwand des Mischkatalysators
40: Absperrorgan, Hülsenelement
41: Verbindungselement
42: Aktuator des Absperrorgans
43: Mantelflächenwand
44: Außenfläche der Mantelflächenwand
45: Lagerelement
46: Oberseite der Mantelflächenwand
47: Verbindungsstück
48: Innenfläche der Mantelflächenwand
49: Rohrelement
49a: Stegelemente
50: Abgasturbolader
51: Turbolader-Bypass
52: Wastegateklappe
53: Turbine
54: Abgasleitung
55: Innenseite der Abgasleitung
56: Führungselement
56a: Einlass des Führungselementes
57: Leitelement
58: Schirmvorrichtung
58a: vorderes Schirmelement
58b: hinteres Schirmelement
A1: erste Drehachse
A2: zweite Drehachse
A3: dritte Drehachse
D: Düsenquerschnittsfläche
P1: erste Position
P2: zweite Position
P3: dritte Position
S1: erste Stellung
S2: zweite Stellung
S3: dritte Stellung
X: Abgasströmungsrichtung
X1: Hauptströmungsrichtung
X2: entgegengesetzte Strömungsrichtung

Claims

Abgasnachbehandlungsanlage (1) für eine Verbrennungskraftmaschine (2), wobei die Abgasnachbehandlungsanlage (1) einen Vorkatalysator (10) und einen Hauptkatalysator (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsanlage (1) einen Startkatalysator (20) umfasst, welcher während einer Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine (2) dem Vorkatalysator (10) in einer Abgasströmungsrichtung (X) fluidisch vorgeschalten ist.
Abgasnachbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Startkatalysator (20) für einen im Vergleich zum Vorkatalysator (10) geringeren Abgasmassestrom ausgelegt ist, wobei der Startkatalysator (20) im Vergleich zum Vorkatalysator (10) geringere Ausmaße, eine geringere Masse, eine geringere Wärmekapazität und/oder ein schnelleres Aufheizverhalten aufweist.
Abgasnachbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsanlage (1) ein Absperrorgan (40) umfasst, wobei mittels des Absperrorgans (40) während der Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine (2) ein Abgas durch den Startkatalysator (20) strömbar ist, und wobei mittels des Absperrorgans (40) zeitlich nach der Kaltstartphase oder einem Warmstart der Verbrennungskraftmaschine (2) das Abgas im Wesentlichen nicht durch den Startkatalysator (20) strömbar ist.
Abgasnachbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrorgan (40) als ein entlang einer Hauptströmungsrichtung (X1) translatorisch bewegliches Hülsenelement (40) in einem Inneren einer dem Vorkatalysator (10) fluidisch vorgeschalteten Abgasleitung (54) ausgebildet ist, wobei in einer ersten Position (P1) des Absperrorgans (40) der Startkatalysator (20) fluidisch zwischen der Abgasleitung (54) und dem Vorkatalysator (10) geschalten und in einer zweiten Position (P2) und dritten Position (P3) der Startkatalysator (10) fluidisch parallel zum Vorkatalysator (10) geschalten oder von der Abgasleitung (54) fluidisch getrennt ist.
Abgasnachbehandlungsanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Startkatalysator (20) zumindest teilweise in einem Inneren des Vorkatalysators (10) angeordnet und im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und sich längs einer Hauptströmungsrichtung (X1) erstreckt, wobei ein Auslass (22) des Startkatalysators (20) sich im Wesentlichen in einem Auslassabschnitt (12) des Vorkatalysators (10) befindet.
Abgasnachbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (22) des Startkatalysators (20) mindestens ein Düsenelement (23) zur Beschleunigung und Umlenkung der Abgasströmung entgegengesetzt der Hauptströmungsrichtung (X1) umfasst.
Abgasnachbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Mischkatalysator (30) zumindest teilweise im Inneren des Vorkatalysators (10) im Wesentlichen längs der Hauptströmungsrichtung (X1) rohrartig um den Startkatalysator (20) erstreckt, wobei sich ein Einlass (31) des Mischkatalysators (30) im Wesentlichen in dem Auslassbereich (12) des Vorkatalysators (10) befindet und ringförmig um den Auslass (22) des Startkatalysators (20) ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischkatalysator (30) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, die beschleunigte und umgelenkte Abgasströmung aus dem Auslass (22) des Startkatalysators (20) entgegengesetzt zur Hauptströmungsrichtung (X1) zu führen, wobei resultierend die Abgasströmung aus dem Auslassabschnitt (12) des Vorkatalysators (10) teilweise umlenkbar, in den Mischkatalysator (30) saugbar und mit der Abgasströmung aus dem Auslass (22) des Startkatalysators (20) mischbar ist.
Abgasnachbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassestrom aus dem Auslassabschnitt (12) des Vorkatalysators (10) in einen Einlass (31) des Mischkatalysators (30) mittels eines Einlasselementes (33) begrenzbar ist.
Abgasnachbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktuator (42) des Absperrorgans (40) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, das Absperrorgan (40) zu betätigen oder das Absperrorgan (40) und eine Wastegateklappe (52) eines Abgasturboladers (50) miteinander wirkverbunden sind, sodass das Absperrorgan (40) von einem Aktuator der Wastegateklappe (52) betätigbar ist.
Abgasnachbehandlungsanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Startkatalysator (20) an einem in einer Hauptströmungsrichtung (X1) distalen Ende eine Deckflächenwand (27) aufweist.
Abgasnachbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckflächenwand (27) des Startkatalysators (20) zumindest eine Bohrung aufweist, wobei eine Abgasströmung in der Hauptströmungsrichtung (X1) zumindest teilweise durch die zumindest eine Bohrung der Deckflächenwand (27) strömbar ist.
Abgasnachbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckflächenwand (27) eine Absperrklappe (27a) ist, wobei ein Mechanismus (28) dafür vorgesehen und ausgebildet ist, die Absperrklappe (27a) fluidisch zu öffnen, wobei eine Abgasströmung in der Hauptströmungsrichtung (X1) teilweise durch das distale Ende des Startkatalysators (20) strömbar ist, und wobei der Mechanismus (28) dafür vorgesehen und ausgebildet ist, die Absperrklappe (27a) fluidisch zu schließen.
Abgasnachbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 4 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrklappe (27a) mit dem Absperrorgan (40) oder mit einem Aktuator einer Wastegateklappe (52) über den Mechanismus (28) mechanisch wirkverbunden ist.
Abgasnachbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düsenquerschnittsfläche (D) des mindestens einen Düsenelementes (23) veränderbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage (1), bevorzugt nach Anspruch 4, umfassend die Verfahrensschritte: a. Betätigen des Absperrorgans (40) in die erste Position (P1), wobei der Startkatalysator (20) fluidisch zwischen der Abgasleitung (54) und dem Vorkatalysator (10) geschalten ist, b. Kaltstarten und Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (1), sowie Aufheizen der Abgasnachbehandlungsanlage (1) mittels einer Abgasströmung der Verbrennungskraftmaschine (1), c. Betätigen des Absperrorgans (40) in die zweite Position (P2) oder die dritte Position (P3) nach der Kaltstartphase, wobei der Startkatalysator (10) fluidisch parallel zum Vorkatalysator (10) geschalten oder von der Abgasleitung (54) fluidisch getrennt ist.