DE10329436B4 - Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Abgasreinigungssystem (1) für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit
– einem ersten von Abgas durchströmten Abgasreinigungselement (5),
– einem zum ersten Abgasreinigungselement (5) strömungsmäßig parallel geschalteten zweiten von Abgas durchströmten Abgasreinigungselement (6),
– einem zum ersten Abgasreinigungselement (5) strömungsmäßig parallel geschalteten ersten Rohrleitungselement (7) und
– einem zum zweiten Abgasreinigungselement (6) strömungsmäßig parallel geschalteten zweiten Rohrleitungselement (8), wobei
das zweite Abgasreinigungselement (6) räumlich derart hinter dem ersten Abgasreinigungselement (5) angeordnet ist, dass die senkrechte Projektion der Gasaustrittsfläche (9) des ersten Abgasreinigungselements (5) auf eine Ebene, die von der Längsachse (15) des ersten Abgasreinigungselements (5) senkrecht durchsetzt wird, die senkrechte Projektion der Gaseintrittsfläche (10) des zweiten Abgasreinigungselements (6) auf diese Ebene wenigstens teilweise überdeckt,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Abgasreinigungselement (5) und das zweite Abgasreinigungselement (6) einen wenigstens annähernd gleichen Strömungsleitwert aufweisen und das erste Rohrleitungselement (7) und das zweite Rohrleitungselement (8) jeweils einen...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 101 23 359 A1 ist ein Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine mit zwei strömungsmäßig parallel geschalteten Abgasreinigungseinheiten bekannt. Die parallel geschalteten Abgasreinigungseinheiten bieten dabei zusammen mehr Katalysatorvolumen, als ein einzelnes Abgasreinigungselement, wodurch eine größere Reinigungswirkung erzielt wird. Gleichzeitig wird durch die Parallelschaltung ein insgesamt geringerer Strömungswiderstand erzielt. Allerdings können durch die gewählte Anordnung der Abgasreinigungselemente je nach den im Kraftfahrzeug vorhandenen Platzverhältnissen Einbauprobleme auftreten.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 198 55 093 A1 ist ein Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei hintereinander angeordneten, jedoch strömungsmäßig parallel geschalteten Abgasreinigungselementen bekannt. Dabei überdecken sich die Projektionen von Gasaustrittsfläche und Gaseintrittsfläche der jeweiligen Abgasreinigungselemente. Die strömungsmäßige Parallelschaltung der Abgasreinigungselemente ist durch Rohrleitungselemente realisiert, die zu jeweils einem Abgasreinigungselement parallel geschalten sind, also einen Bypass bezüglich des entsprechenden Abgasreinigungselements bilden.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abgasreinigungssystem mit einer schlanken Bauform bei vergleichsweise großem Katalysatorvolumen mit relativ hohem Strömungsleitwert zur Verfügung zu stellen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Abgasreinigungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Abgasreinigungssystem weist ein erstes von Abgas durchströmten Abgasreinigungselement und ein zum ersten Abgasreinigungselement strömungsmäßig parallel geschaltetes zweites von Abgas durchströmtes Abgasreinigungselement auf. Ferner ist ein zum ersten Abgasreinigungselement strömungsmäßig parallel geschaltetes erstes Rohrleitungselement und ein zum zweiten Abgasreinigungselement strömungsmäßig parallel geschaltetes zweites Rohrleitungselement vorgesehen, wobei das zweite Abgasreinigungselement räumlich derart hinter dem ersten Abgasreinigungselement angeordnet ist, dass die senkrechte Projektion der Gasaustrittsfläche des ersten Abgasreinigungselements auf eine Ebene, die von der Längsachse des ersten Abgasreinigungselements senkrecht durchsetzt wird, die senkrechte Projektion der Gaseintrittsfläche des zweiten Abgasreinigungselements auf diese Ebene wenigstens teilweise überdeckt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das erste Abgasreinigungselement und das zweite Abgasreinigungselement einen wenigstens annähernd gleichen Strömungsleitwert aufweisen und das erste Rohrleitungselement und das zweite Rohrleitungselement jeweils einen Strömungsleitwert aufweisen, der deutlich größer als derjenige der Abgasreinigungselemente ist.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei den Abgasreinigungselementen um Katalysatoren mit langgestreckter zylindrischer Bauform, wie beispielsweise Wabenkörper mit rundem oder ovalem Querschnitt. Durch die serielle räumliche Anordnung der Abgasreinigungselemente wird eine schlanke Bauform des gesamten Abgasreinigungssystems erhalten, was seine Unterbringung auch in engen Einbauräumen in einem Kraftfahrzeug erlaubt. Da die Abgasreinigungselemente strömungsmäßig parallel geschaltet sind, ergibt sich gleichzeitig ein geringer Strömungswiderstand bei einer großen Kontaktfläche.
  • In Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Abgasreinigungselement und das zweite Abgasreinigungselement in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Zur Strömungsführung des Abgases sind im Gehäuse vorzugsweise Schottwände bzw. Trennplatten vorzusehen, durch die das Gehäuse in Kammern unterteilt wird. Diese Kammern erlauben die Zusammenführung von Abgasteilströmen bzw. deren gezielte Weiterleitung.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Abgasreinigungselement und das zweite Abgasreinigungselement als Denox-Katalysatoren ausgeführt. Vorzugsweise handelt es sich bei den Denox-Katalysatoren um so genannte SCR-Katalysatoren die eine Stickoxidreduktion in oxidierendem Abgas ermöglichen. Das hierfür erforderliche Reduktionsmittel Ammoniak wird stromauf der Katalysatoren dem Abgas direkt oder in gebundener Form als Harnstoff bzw. Harnstoff-Wasserlösung zugeführt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Abgasreinigungselement und/oder das zweite Abgasreinigungselement aus wenigstens zwei strömungsmäßig parallel geschalteten Teilelementen gebildet. Dadurch wird die Reinigungswirkung des Abgasreinigungssystems bei gleichzeitiger Verringerung des Strömungswiderstandes erhöht.
    •
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystems,
  • 2 eine schematische Darstellung der Geometrieverhältnisse einer beispielhaften Anordnung von Abgasreinigungselementen und
  • 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystems.
  • 1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Abgasreinigungssystem 1, welches für die Reinigung der Abgase einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Das Abgasreinigungssystem 1 ist insbesondere für Nutzfahrzeuge mit Vorteil einsetzbar und weist ein erstes zylindrisches Abgasreinigungselement 5 und ein dahinter angeordnetes zweites zylindrisches Abgasreinigungselement 6 in einem Gehäuse 2 auf. Für das Abgasreinigungselement 5 ist zur Verdeutlichung der Geometrieverhältnisse die Längsachse 15 eingezeichnet. Parallel zum ersten Abgasreinigungselement 5 ist ein erstes Rohrleitungselement 7 und parallel zum zweiten Abgasreinigungselement 6 ist ein zweites Rohrleitungselement 8 angeordnet. Die Abgasreinigungselemente 5, 6 sowie die Rohrleitungselemente 7, 8 sind durch Abtrennplatten 17, 18, 19, 20, 21 rundum dichtend mechanisch gehalten und im Gehäuse 1 dadurch lagefixiert. Das Gehäuse 2 weist ferner einen Abgaseinlassanschluss 3 und einen Abgasauslassanschluss 4 zur Zufuhr bzw. zur Ableitung von Abgas auf. Durch die Abtrennplatten 17, 18, 19, 20, 21, welche rundum dichtend mit dem Gehäuse 2 verbunden sind, werden im Gehäuse eine Abgaseintrittskammer 11, eine erste Zwischenkammer 12, eine zweite Zwischenkammer 13 sowie eine Mischkammer 14 gebildet.
  • Die Abgasreinigungselemente 5, 6 weisen vorzugsweise den gleichen Strömungswiderstand auf. Obwohl die Abgasreinigungselemente 5, 6 unterschiedlich gestaltet sein können, ist es vorteilhaft, sie hinsichtlich ihrer Art und ihrer Größenabmessungen gleich auszuführen. Sie können beispielsweise als Partikelfilter oder Katalysatoren, insbesondere als Denox- bzw. SCR-Katalysatoren in Wabenkörperform mit rundem oder ovalem Querschnitt ausgebildet sein. Vorteilhaft kann es ferner sein, die Abgasreinigungselemente 5, 6 in ihrer Längsrichtung geschichtet auszuführen, wobei beispielsweise die Gaseintrittsseite als Hydrolysekatalysator oder Oxidationskatalysator und der sich anschließende Teil als SCR-Katalysator oder Partikelfilter ausgeführt sein kann. Ebenfalls vorteilhaft ist es, den strömungsmäßig vorderen Teil als Partikelfilter und den strömungsmäßig hinteren Teil, gegebenenfalls axial beabstandet, als SCR-Katalysator auszuführen. Im Folgenden wird vereinfachend von Katalysatoren gesprochen. Die Rohrleitungselemente 7, 8 sind vorzugsweise durch separate runde Rohrleitungsabschnitte gebildet, und weisen im Vergleich zu den Katalysatoren 5, 6 einen deutlich geringeren Strömungswiderstand auf. Eine katalytische Beschichtung der Rohrleitungselemente 7, 8 auf deren Innenfläche kann vorgesehen sein, wodurch mit ihnen eine zusätzliche Reinigungswirkung erzielt werden kann.
  • Nachfolgend wird die Funktionsweise des Abgasreinigungssystems 1 anhand der durch die Pfeile 16 schematisch skizzierten Strömungswege des Abgases näher erläutert. Das zu reinigende Abgas tritt durch den Abgaseinlassanschluss 3 in die von der Abtrennplatte 17 und dem Gehäuse 1 gebildete Abgaseintrittskammer 11 ein. Ein erster Abgasteilstrom strömt durch den Katalysator 5, wird dabei, beispielsweise von Stickoxiden, gereinigt und gelangt in die von den Abtrennplatten 18, 19 gebildete erste Zwischenkammer 12. Aus der ersten Zwischenkammer 12 strömt der gereinigte erste Abgasteilstrom weiter durch das zweite Rohrleitungselement 8 in die Mischkammer 14, wobei die durch die Abtrennplatten 19, 20 gebildete zweite Zwischenkammer 13 überbrückt wird.
  • Ein zweiter Abgasteilstrom des gesamten in die Eintrittskammer 11 eingetretenen Abgasstroms wird zunächst durch das erste Rohrleitungselement 7 unter Überbrückung der ersten Zwischenkammer 12 in die zweite Zwischenkammer 13 geleitet. Von dort wird der zweite Abgasteilstrom durch den zweiten Katalysator 6 geleitet und gelangt in gereinigter Form in die Mischkammer 14, wo eine Vermischung mit dem gereinigten ersten Abgasteilstrom erfolgt. Der gesamte Abgasstrom wird anschließend durch den Abgasauslassanschluss 4 aus dem Gehäuse 2 abgeführt.
  • Das geschilderte Abgasreinigungssystem 1 stellt somit hinsichtlich des Abgasströmungswegs eine Parallelschaltung der Katalysatoren 5, 6 bzw. eine Parallelschaltung der Rohrleitungselemente 7, 8 dar. Dabei sind in einem Strömungszweig der Katalysator 5 und das Rohrleitungselement 8, im anderen Strömungszweig der Katalysator 6 und das Rohrleitungselement 7 strömungsmäßig in Serie geschaltet. Unter der Voraussetzung vernachlässigbarer Strömungswiderstände der Rohrleitungselemente 7, 8 und gleicher Strömungswiderstände der Katalysato ren 5, 6 resultiert aus der strömungsmäßigen Parallelschaltung der Katalysatoren 5, 6 bei gleicher Kontaktfläche im Vergleich zu einer strömungsmäßigen Serienschaltung der Katalysatoren 5, 6 ein halbierter Strömungswiderstand. Da die Rohrleitungselemente 7, 8 eine vergleichsweise kleine Querschnittsfläche aufweisen können, kann eine schmale Bauform des Abgassystems 1 erreicht werden. Dies hat Vorteile beim Einbau im Fahrzeug, beispielsweise hinsichtlich der Bodenfreiheit bei einem Einbau in Unterbodenlage.
  • 1 zeigt somit ein Abgasreinigungssystem 1 für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten von Abgas durchströmten Abgasreinigungselement 5 und einem zweiten von Abgas durchströmten Abgasreinigungselement 6, das dadurch gekennzeichnet ist, dass dem ersten Abgasreinigungselement 5 ein erstes separates Rohrleitungselement 7 strömungsmäßig parallel geschaltet ist und dem zweiten Abgasreinigungselement 6 ein zweites separates Rohrleitungselement 8 strömungsmäßig parallel geschaltet ist und dass das erste Abgasreinigungselement 5 und das erste Rohrleitungselement 7 räumlich in Abgasströmungsrichtung vor dem zweiten Abgasreinigungselement 6 und dem zweiten Rohrleitungselement 7 angeordnet sind und dass das erste Abgasreinigungselement 5 und das zweite Rohrleitungselement 8 strömungsmäßig parallel zu dem zweiten Abgasreinigungselement 6 und dem ersten Rohrleitungselement 7 geschaltet sind.
  • Eine schmale Bauform des Abgassystems wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Katalysatoren 5, 6 derart hintereinander im Gehäuse 2 angeordnet sind, dass sie in axialer Richtung gesehen ein möglichst hohes Maß an Überdeckung aufweisen. Die entsprechenden geometrischen Verhältnisse sind in 2 schematisch dargestellt, wobei im Bezug auf 1 gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
  • In 2 ist ein erster Katalysator 5 räumlich vor einem zweiten Katalysator 6 angeordnet, wobei die Katalysatoren 5, 6 hier zylindrisch mit ovalem Querschnitt ausgeführt sind und Bestandteile eines entsprechenden Abgasreinigungssystems 1 sind. Die Achsen 22, 23 definieren eine Ebene, die in diesem Fall mit der ebenfalls ebenen Gaseintrittsfläche 10 des zweiten Katalysators 6 zusammenfällt. Die Längsachse 15 des ersten Katalysators 5 bildet zusammen mit den in der Gaseintrittsfläche 10 des zweiten Katalysators 6 liegenden Achsen 22, 23 ein rechtwinkliges Koordinatensystem. Die Projektion der verdeckten Gasauntrittsfläche 9 des ersten Katalysators 5 auf diese Ebene ist durch die ovale Fläche 24 dargestellt. Wie ersichtlich, überdeckt diese Projektionsfläche 24 die Gaseintrittsfläche 10 des zweiten Katalysators 6 zum größten Teil. Dies ermöglicht eine schlanke Ausführung des entsprechenden Abgasreinigungssystems 1. Vorteilhaft ist eine Überdeckung von mehr als 50 %, insbesondere von mehr als 75 %. Für eine gleichzeitig kurze Bauform ist zusätzlich ein geringer Abstand der Katalysatoren 5, 6 in Längsrichtung vorteilhaft.
  • In 3 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystems 1 dargestellt. Dabei sind in Bezug auf 1 gleichartige Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dargestellt ist hier ein Abgasreinigungssystem 1, welches in vorteilhafter weise senkrecht stehend hinter der Fahrerkabine eines Nutzfahrzeugs angeordnet sein kann. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform ist hier der erste Katalysator durch zwei strömungsmäßig und räumlich parallel zueinander liegende Teilelemente 51, 52 gebildet. In gleicher Weise wird der zweite Katalysator durch zwei strömungsmäßig und räumlich parallel zueinander liegende Teilelemente 61, 62 gebildet. Die Teilelemente 61, 62 sind in Richtung der Abgasströmung derart räumlich hinter den Teilelementen 51, 52 angeordnet, dass sich in axialer Richtung gesehen ein hohes Maß an Überdeckung ihrer jeweiligen Stirnseiten ergibt. Strömungsmäßig sind die vier Teilelemente 51, 52, 61, 62 parallel geschaltet, was mit Hilfe der Rohrleitungselemente 7, 8 und der als Strömungsleitmittel wirkenden Abtrennplatten 17, 19, 21 erreicht wird, wie nachfolgend erläutert.
  • Das zu reinigende Abgas tritt durch den Abgaseinlassanschluss 3 in die Abgaseintrittskammer 11 ein. Ein erster Teilstrom des in die Eintrittskammer 11 eingetretenen Abgasstroms strömt durch die Teilelemente 51, 52 und wird anschließend durch das zweite Rohrleitungselement 8 in die Mischkammer 14 geleitet. Ein zweiter Teilstrom des in die Eintrittskammer 11 eingetretenen Abgasstroms wird über das erste Rohrleitungselement 7 den Teilelementen 61, 62 zugeführt und gelangt anschließend in gereinigter Form ebenfalls in die Mischkammer 14, wo eine Vermischung mit dem gereinigten ersten Abgasteilstrom erfolgt. Der gesamte Abgasstrom wird anschließend durch den Abgasauslassanschluss 4 aus dem Gehäuse 2 abgeführt. In der dargestellten Ausführungsform sind für die beschriebene Strömungsführung nur die Abtrennplatten 17, 19, 21 notwendig, womit im Vergleich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform die zwei Abtrennplatten 18, 20 eingespart sind. Die mechanische Stabilisierung der Teilelemente 51, 52, 61, 62 wird von den Abtrennplatten 17, 19, 21 übernommen und kann gegebenenfalls zusätzlich durch weitere hier nicht dargestellte Stützelemente geleistet werden.
  • Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Abgasreinigungssystem weitere Komponenten wie Dicht- oder Isoliermaterial, schalldämpfende Einbauten sowie Abgas- und Temperatursensoren, Zugabestellen für Reagenzien und dergleichen aufweisen kann. Das gesamte Abgasreinigungssystem kann neben seiner Reinigungsfunktion gleichzeitig als Schalldämpfer fungieren, wozu die Gasführung mit den als Expansionskammern wirkenden Zwischenkammern 12, 13 bzw. Einlasskammer 11 und Mischkammer 14 beiträgt.

Claims (4)

  1. Abgasreinigungssystem (1) für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit – einem ersten von Abgas durchströmten Abgasreinigungselement (5), – einem zum ersten Abgasreinigungselement (5) strömungsmäßig parallel geschalteten zweiten von Abgas durchströmten Abgasreinigungselement (6), – einem zum ersten Abgasreinigungselement (5) strömungsmäßig parallel geschalteten ersten Rohrleitungselement (7) und – einem zum zweiten Abgasreinigungselement (6) strömungsmäßig parallel geschalteten zweiten Rohrleitungselement (8), wobei das zweite Abgasreinigungselement (6) räumlich derart hinter dem ersten Abgasreinigungselement (5) angeordnet ist, dass die senkrechte Projektion der Gasaustrittsfläche (9) des ersten Abgasreinigungselements (5) auf eine Ebene, die von der Längsachse (15) des ersten Abgasreinigungselements (5) senkrecht durchsetzt wird, die senkrechte Projektion der Gaseintrittsfläche (10) des zweiten Abgasreinigungselements (6) auf diese Ebene wenigstens teilweise überdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Abgasreinigungselement (5) und das zweite Abgasreinigungselement (6) einen wenigstens annähernd gleichen Strömungsleitwert aufweisen und das erste Rohrleitungselement (7) und das zweite Rohrleitungselement (8) jeweils einen Strömungsleitwert aufweisen, der deutlich größer als derjenige der Abgasreinigungselemente (5, 6) ist.
  2. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Abgasreinigungselement (5) und das zweite Abgasreinigungselement (6) in einem gemeinsamen Gehäuse (2) angeordnet sind.
  3. Abgasreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Abgasreinigungselement (5) und das zweite Abgasreinigungselement (6) als Denox-Katalysatoren ausgeführt sind.
  4. Abgasreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Abgasreinigungselement (5) und/oder das zweite Abgasreinigungselement (6) aus wenigstens zwei strömungsmäßig parallel geschalteten Teilelementen (51, 52; 61, 62) gebildet ist.
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